Транзисторный ключ с эмиттерной коммутацией

 

Изобретение относится к электротехнике для использования в преобразователях, вторичных источниках электропитания. Технический результат заключается в уменьшении мощности источника постоянного напряжения управления, повышении кпд и упрощении его схемы. Транзисторный ключ с эмиттерной коммутацией состоит из последовательно включенных высоковольтного биполярного транзистора (ВБТ) (1) и низковольтного полевого транзистора (НПТ) (2), затвор которого соединен с выводом для подключения источника управляющих импульсов. Между базой ВБТ (1) и истоком НПТ (2) включена параллельная цепь, состоящая из первого стабилитрона (СТ) (3), конденсатора (7) и второго СТ (5), последовательно соединенного анодом с началом вторичной обмотки трансформатора тока (6.2), первичная обмотка (6.1) которого включена в коллекторную цепь ВБТ (1) началом к источнику питания. Резистор включен между базой ВБТ (1) и источником управляющего напряжения. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в различных преобразователях, вторичных источниках электропитания.

Известны схемы транзисторных ключей, состоящих из последовательно включенных высоковольтного и низковольтного транзисторов, конденсатора, резисторного ограничителя тока и диода (а.с. №1320889, кл. Н 03 К 17/60, 1320890, кл. Н 03 К 17/60).

Недостатком этих аналогов является необходимость в мощном источнике управления, питающем базовую цепь высоковольтного транзистора. Как правило, высоковольтный биполярный транзистор имеет низкий коэффициент усиления по току, поэтому для удержания его в открытом состоянии требуется достаточно мощный источник управления. Кроме того, ток управления в этих схемах не зависит от изменения нагрузки транзисторного ключа, что создает избыточный ток базы при малых нагрузках ключа и понижает его кпд.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является ключевой транзисторный преобразователь напряжения (а.с. №1390752, кл. Н 02 М 7/538), который содержит последовательно соединенные биполярный и полевой транзисторы, а также дроссель (трансформатор тока) для форсированного запирания биполярного высоковольтного транзистора.

Этому ключевому транзисторному преобразователю напряжения присущи те же недостатки, также для управления ключом требуется мощный источник питания, рассчитанный на полный ток базы биполярного транзистора. Кроме того, в схеме требуется подбор количества диодов, соединенных последовательно и параллельно обмоткам дросселя (трансформатора тока), необходимых для безопасного накопительного заряда в базе высоковольтного биполярного транзистора, а также уверенного его запирания.

Цель изобретения - уменьшение мощности источника постоянного напряжения (управления), повышение кпд и упрощение его схемы.

Указанная цель достигается тем, что в транзисторный ключ введено пропорционально-токовое управление, осуществляемое с помощью трансформатора тока.

Предлагаемый транзисторный ключ с эмиттерной коммутацией, показанный на чертеже, может быть выполнен как из последовательно включенных высоковольтного биполярного транзистора, так и транзистора со статической индукцией 1, низковольтного полевого транзистора 2 с изолированным затвором, стабилитрона 3, соединенного катодом к базе (или затвору) высоковольтного транзистора, а анодом - к истоку полевого транзистора, резистора 4 в базовой цепи высоковольтного транзистора и конденсатора 7. Между базой (или затвором) высоковольтного транзистора и истоком полевого транзистора включена цепь из последовательно соединенных стабилитрона 5, обращенного катодом к базе (или затвору) и началу вторичной обмотки трансформатора тока 6.2, первичная обмотка 6.1 которого включена в основную токовую цепь транзисторного ключа.

Транзисторный ключ с эмиттерной коммутацией работает следующим образом.

При подаче управляющего импульса на затвор транзистора 2 последний отпирается. По цепи от “+” источника постоянного напряжения через резистор 4 переход база-эмиттер (затвор-исток) транзистора 1 и открытый транзистор 2 к “-” источника начинает проходить небольшой начальный базовый ток высоковольтного транзистора, что приводит к появлению тока в первичной обмотке трансформатора тока 6.1. Ток вторичной обмотки 6.2., пропорциональный току нагрузки ключа, суммируется с начальным базовым током и создает общий базовый ток высоковольтного транзистора. Поскольку величина начального базового тока составляет всего 5-10% от тока базы при максимальной нагрузке ключа, то основная доля тока управления при работе ключа поступает из силовой цепи, а не от источника напряжения.

При запирании транзистора 2 разрывается цепь эмиттера высоковольтного транзистора 1, что приводит к быстрому рассасыванию неосновных носителей и запиранию коллекторного перехода транзистора. Ток его быстро спадает до нуля, напряжение на вторичной обмотке 6.2. реверсируется и ограничивается стабилитронами 3 и 5, причем первый работает в прямую, а второй - в обратную сторону.

В предлагаемом транзисторном ключе с эмиттерной коммутацией пропорциональное изменение тока базы транзистора 1 в зависимости от тока нагрузки позволяет лучше использовать транзистор, уменьшить потери переключения, а значит повысить расчетную частоту его переключений при уменьшении мощности источника постоянного напряжения по сравнению с известной схемой.

Суммарное падение напряжения на обоих транзисторах в открытом состоянии ключа может составлять величину порядка одного вольта.

Кроме того, в схеме транзисторного ключа с эмиттерной коммутацией отсутствует явление вторичного пробоя, т.к. при его отключении обрывается эмиттер силового высоковольтного транзистора и расширяется область его безопасной работы, а также практически отсутствует отрицательная обратная связь из-за негативного влияния емкости сток-затвор полевых транзисторов (эффект Миллера), т.к. полевой транзистор работает на малых напряжениях.

Таким образом, по сравнению с известными предлагаемый транзисторный ключ повышает кпд устройства в следствии пропорционально-токового управления за счет положительной обратной связи по току.

Формула изобретения

Транзисторный ключ с эмиттерной коммутацией, состоящий из последовательно включенных высоковольтного биполярного транзистора или транзистора со статической индукцией и низковольтного полевого транзистора, затвор которого соединен с выводом для подключения источника управляющих импульсов, и резистора, отличающийся тем, что между базой высоковольтного транзистора и истоком полевого транзистора включена параллельная цепь, состоящая из первого стабилитрона, соединенного анодом с истоком полевого транзистора, конденсатора и второго стабилитрона, последовательно соединенного анодом с началом вторичной обмотки трансформатора тока, первичная обмотка которого включена в коллекторную цепь транзисторного ключа началом к источнику питания, а резистор включен между базой высоковольтного транзистора и источником управляющего напряжения.

РИСУНКИРисунок 1