RU1817236C

RU1817236C - Power transistor switch

Info

Publication number: RU1817236C
Authority: RU
Inventors: Николай Сергеевич Комаров; Вячеслав Владимирович Мартынов; Владимир Анатольевич Салацкий
Original assignee: Институт Электродинамики Ан Усср
Priority date: 1991-04-05
Filing date: 1991-04-05
Publication date: 1993-05-23

Abstract

Изобретение относитс к элементам силовых транзисторных преобразователей параметров электрической энергии и может быть использовано дл создани источников вторичного электропитани с высокой надежностью и эффективностью. Транзисторный ключ содержит 4 транзистора (1,2, 3,4), 2 резистора (7,8) 1 диод (9), 2 источника напр жени (5, 6). 2 ил.The invention relates to elements of power transistor converters of electric energy parameters and can be used to create secondary power sources with high reliability and efficiency. The transistor switch contains 4 transistors (1,2, 3,4), 2 resistors (7,8), 1 diode (9), 2 voltage sources (5, 6). 2 ill.

Description

Фйг.1Figure 1

Изобретение относитс к электротехнике , в частности к источникам вторичного электропитани и может быть использовано дл питани аппаратуры устройств св зи, автоматики и вычислительной техники.The invention relates to electrical engineering, in particular to secondary power sources, and can be used to power communications equipment, automation equipment, and computer equipment.

Целью изобретени вл етс повышение КПД и увеличение надежности транзисторного ключа.An object of the invention is to increase the efficiency and increase the reliability of a transistor switch.

На фиг, 1 приведена схема предлагаемого технического устройства; на фиг.2 - эпюры токов и напр жений, которые по сн ют- работу предлагаемого транзисторного ключа .In Fig, 1 shows a diagram of the proposed technical device; figure 2 - diagrams of currents and voltages, which are explained by the operation of the proposed transistor switch.

Как правило, в транзисторных преобразовател х нагрузка транзисторных ключей носит активно-индуктивный характер. В этих услови х формирование желаемой траектории включени силового транзистора не вызывает трудностей, так как ток коллектора нарастает плавно, а напр жение на коллекторе почти скачком спадает до нул . При включении происходит.минимальное перекрытие нарастающего через коллектор тока и спадающего на коллекторе напр жени , что способствует минимальным динамическим потер м и не приводит к локальному перегреву силового транзистора . Кроме того высокой надежности работы транзисторных ключей при включении способствует их повышенна устойчивость к перегрузкам при положительно смещенном эмиттерном переходе.Typically, in transistor converters, the load of transistor switches is active-inductive. Under these conditions, the formation of the desired path to turn on the power transistor is not difficult, since the collector current rises smoothly, and the voltage across the collector drops almost to zero. When turned on, there is a minimal overlap of the current rising through the collector and the voltage decreasing on the collector, which contributes to minimal dynamic losses and does not lead to local overheating of the power transistor. In addition, the high reliability of the transistor switches when turned on contributes to their increased resistance to overloads with a positively biased emitter junction.

Наиболее опасным дл транзистора вл етс режим выключени индуктивной нагрузки, при котором возникают значительные динамические потери, а траектори переключени принимает наиболее нежелательный вид, что создает предпосылки дл вторичного пробо .The most dangerous for the transistor is the inductive load off mode, in which significant dynamic losses occur, and the switching path takes the most undesirable form, which creates the preconditions for a secondary breakdown.

Предлагаемое схемное решение позвол ет значительно снизить динамические потери при. выключении силового транзистора, за счет формировани траек-: тории переключени транзистора, при которой он находитс в области безопасной работы.The proposed circuit solution can significantly reduce dynamic losses at. turning off the power transistor by forming a switching path: when the transistor is in the safe operation area.

Силовой транзисторный ключ содержит два высоковольтных транзистора 1, 2, два управл ющих транзистора 3, 4, двухпол р- ный источник питани 5,6, резистор 7, ограничивающий резистор 8 и диод 9. Коллектор дополнительного транзистора 1 соединен с коллектором силового транзистора 2, эмиттер дополнительного транзистора 1 соединен с коллектором верхнего транзистора управлени 3. база дополнительного транзистора 1 соединена с ограничивающим ре- зистором 8 и анодом диода 9, второй вывод ограничивающего резистора 8 соединен с катодом диода 9 и попадает на плюс отпирающего источника напр жени 5. Эмиттер силового транзистора 2 попадает на среднюю точку источников 10, отпирающего 5 и запирающего напр жений 8, база силовогоThe power transistor switch contains two high-voltage transistors 1, 2, two control transistors 3, 4, a bipolar power supply 5.6, a resistor 7, a limiting resistor 8 and a diode 9. The collector of the additional transistor 1 is connected to the collector of the power transistor 2, the emitter of the additional transistor 1 is connected to the collector of the upper control transistor 3. the base of the additional transistor 1 is connected to the limiting resistor 8 and the anode of the diode 9, the second output of the limiting resistor 8 is connected to the cathode of the diode 9 and falls on and plus the unlocking voltage source 5. The emitter of the power transistor 2 falls on the midpoint of the sources 10, the unlocking 5 and the locking voltage 8, the base of the power

транзистора 2 соединена с эмиттерами управл ющих транзисторов 3, 4, коллектор нижнего управл ющего транзистора 4 соединен с минусом запирающего источника 6. базы управл ющих транзисторов 3, 4, сое0 динены с резистором 7, второй вывод которого подключен к входной клемме 11.the transistor 2 is connected to the emitters of the control transistors 3, 4, the collector of the lower control transistor 4 is connected to the minus of the blocking source 6. the base of the control transistors 3, 4 are connected to the resistor 7, the second terminal of which is connected to the input terminal 11.

На фиг.2 приведены эпюры, по сн ющие работу силового транзисторного ключа. Схема работает следующим образом.Figure 2 shows diagrams illustrating the operation of a power transistor switch. The scheme works as follows.

5 при подаче положительного сигнала управлени на входную клемму 11 положительный потенциал через резистор 7 попадает на базы комплиментарной пары управл ющих транзисторов 3,4. Верхний транзистор5, when a positive control signal is applied to the input terminal 11, the positive potential through the resistor 7 falls on the base of the complementary pair of control transistors 3,4. Top transistor

0 управлени 3 отпираетс и замыкает цепь, котора отпирает силовой транзистор 2. Ток отпирани протекает от плюса отпирающего источника 5 через ограничивающий резистор 8, эмиттерный переход допрлни5 тельного транзистора 1, цепь коллектор эмиттер управл ющего транзистора 3, эмиттерный переход силового транзистора 2 и замыкаетс на среднюю точку источников питани 10. Дополнительный транзистор 10 control 3 unlocks and closes the circuit, which unlocks the power transistor 2. The unlock current flows from the plus of the unlocking source 5 through the limiting resistor 8, the emitter junction of the additional transistor 1, the collector-emitter circuit of the control transistor 3, the emitter junction of the power transistor 2 and closes midpoint of power supplies 10. Optional transistor 1

0 представл ет собой нелинейную отрицательную обратную св зь, котора обеспечивает автоматическое изменение величины базового тока силового транзистора 2 в зависимости от тока нагрузки, то есть вынуж5 дает силовой транзистор 2 работать в ненасыщенном режиме. При увеличении тока нагрузки .к коллекторному переходу дополнительного транзистора 1 прикладываетс запирающее напр жение и весь ток0 is a non-linear negative feedback that automatically changes the base current of the power transistor 2 depending on the load current, i.e., forces 5 the power transistor 2 to operate in an unsaturated mode. As the load current increases., A blocking voltage and the entire current are applied to the collector junction of the additional transistor 1

0 базы, а если его недостаточно, то и ток коллектора дополнительного транзистора 1 из силовой цепи поступает в базовую цепь силового транзистора не позвол ему выйти в активную область.0 base, and if it is not enough, then the collector current of the additional transistor 1 from the power circuit enters the base circuit of the power transistor, preventing it from entering the active region.

5 Очевидным преимуществом предлагаемого схемного решени на этапе, когда силовой транзистор отперт, вл етс то, что дополнительный транзистор 1 представл ет собой первый каскад усилени составного5 The obvious advantage of the proposed circuit solution at the stage when the power transistor is turned on is that the additional transistor 1 is the first stage of the amplification of the composite

0 транзистора. Следовательно, максимальный ток управлени необходимый дл поддержани силового транзистора 2 в отпертом состо нии при максимальном токе нагрузки существенно меньше тока на5 грузки, что значительно снижает мощность потерь в цеп х управлени , а следовательно повышает КПД устройства в целом.0 transistor. Therefore, the maximum control current necessary to maintain the power transistor 2 in the open state at the maximum load current is significantly less than the load current 5, which significantly reduces the power loss in the control circuits, and therefore increases the efficiency of the device as a whole.

При подаче отрицательного сигнала управлени на входную клемму 11, отрицательный потенциал через резистор 7When applying a negative control signal to the input terminal 11, the negative potential through the resistor 7

поступает на базы комплиментарной пары управл ющих транзисторов 3, 4, запира верхний транзистор 3 и отпира нижний транзистор А. При этом к эмиттерному переходу силового транзистора 2 прикладываетс запирающее напр жение. Ток рассасывани силового транзистора 2 протекает по цепи минус запирающего источника напр жени 6, цепь коллектор-эмиттер транзистора управлени и, база силового транзистора 2 и попадает на среднюю точку источников питани 10. После подачи запирающего напр жени происходит процесс рассасывани зар да в области базы, при котором потенциал коллектора продолжает оставатьс низким. Так как отпирающий транзистор управлени 3 заперт цепь эмиттера дополнительного транзистора 1 оборвана , ток отпирающего источника протекает через резистор 8 и коллекторный переход дополнительного транзистора 1. На этапе рассасывани силового транзистора 2, коллекторный переход дополнительного транзистора 1 выполн ет функцию диода накапливающего зар д непосредственно перед выключением силового транзистора 2. После окончани процесса рассасывани силового транзистора 2 напр жение на его коллекторе нарастает, а ток нагрузки замыкаетс по цепи коллекторный переход дополнительного транзистора 1, диод 9, отпирающий источник напр жени 5, Таким образом формируетс безопасна траектори выключени силового транзистора 2, так как напр жение на коллекторе нараста ет при отсутствии тока нагрузки через коллектор . Отсутствие перекрыти между нарастающим на коллекторе напр жением и спадающим до нул током нагрузки приводит к значительному снижению динамических потерь.arrives at the base of a complementary pair of control transistors 3, 4, locking the upper transistor 3 and unlocking the lower transistor A. In this case, a locking voltage is applied to the emitter junction of the power transistor 2. The absorption current of the power transistor 2 flows along the circuit minus the blocking voltage source 6, the collector-emitter circuit of the control transistor and, the base of the power transistor 2, and falls on the midpoint of the power sources 10. After applying the blocking voltage, the process of absorption of the charge in the base region occurs. at which the reservoir potential remains low. Since the gate control transistor 3 is closed the emitter circuit of the auxiliary transistor 1 is disconnected, the current of the gate source flows through the resistor 8 and the collector junction of the additional transistor 1. At the stage of absorption of the power transistor 2, the collector junction of the additional transistor 1 performs the function of a charge diode immediately before switching off power transistor 2. After the resorption process of power transistor 2 is completed, the voltage on its collector rises, and the load current closes Through the circuit, the collector junction of the auxiliary transistor 1, diode 9, unlocking the voltage source 5. This forms a safe shutdown path for the power transistor 2, since the voltage on the collector rises in the absence of a load current through the collector. The absence of an overlap between the voltage increasing on the collector and the load current decreasing to zero leads to a significant reduction in dynamic losses.

В предлагаемом схемном решении при использовании в качестве силового 2 и дополнительного 1 транзисторов типа КТ847А, и питании двухпол рным источником величиной 7В, оптимальна величина тока управлени при токе нагрузки 12А равна }20мА. При таком токе управлени величина накопленного избыточного зар да в коллекторном переходе дополнительного транзистора 1 достаточна чтобы пропустить ток нагрузки силового транзистора 2, пока силовой транзистор полностью не выключитс и затем за врем около 50нс выключит силовой ключ. В качестве управл ющих транзисторов 3, 4 в предлагаемом схемном решении используетс ;комплиментарна пара составных транзисторов КТ972А, КТ973А, с большим коэффициентом усилени по току, что позвол ет управл ть имиIn the proposed circuit solution, when using transistors of the KT847A type as power 2 and additional 1, and powered by a bipolar source of 7V, the optimal value of the control current at a load current of 12A is} 20mA. With this control current, the accumulated excess charge in the collector junction of the auxiliary transistor 1 is sufficient to pass the load current of the power transistor 2 until the power transistor is completely turned off and then turns off the power switch in about 50 ns. As the control transistors 3, 4 in the proposed circuit solution is used; a complementary pair of composite transistors KT972A, KT973A, with a large current gain that allows you to control them

малым током микросхемы пор дка 5мА. В схемном решении коллекторы силового 2 и дополнительного 1 транзисторов объединены , что позвол ет конструктивно размещатьlow current circuits of the order of 5 mA. In the circuit design, the collectors of power 2 and additional 1 transistors are combined, which allows constructive placement

5 два транзистора КТ847А на одном радиаторе .5 two KT847A transistors on one radiator.

Таким образом введение дополнительного транзистора 1, ограничивающего резистора 8 и использование новых св зейThus, the introduction of an additional transistor 1, the limiting resistor 8 and the use of new connections

0 позвол ет использовать преимущества составного ключа, который обладает значительным коэффициентом усилени по току и тем самым существенно снизить ток управлени при значительной коммутируемой0 allows you to take advantage of the composite key, which has a significant current gain and thereby significantly reduce the control current with significant switched

5 выходной мощности. В тоже врем предлагаемое решение позвол ет избежать таких недостатков составного ключа, как медленное запирание силового транзистора 2 и отсутствие формировани безопасной тра0 ектории при его выключении.5 power output. At the same time, the proposed solution avoids the drawbacks of the composite key, such as the slow locking of the power transistor 2 and the absence of the formation of a safe path when it is turned off.

Эксперименты подтвердили, что при использовании других высоковольтных пар транзисторов в предлагаемом схемном решении удаетс сформировать безопаснуюThe experiments confirmed that when using other high-voltage pairs of transistors in the proposed circuit solution, it is possible to form a safe

5 траекторию выключени силового ключа. Так при использовании пары на транзисторах КТ838А и KTJ339A траектори выключени формируетс при токе нагрузки 1 А. а на транзисторной nape KT828A траектори &ы0 ключени формировалась при токе нагрузки5 path of turning off the power switch. So when using a pair on KT838A and KTJ339A transistors, a shutdown path is formed at a load current of 1 A. and on a transistor nape KT828A, a switch path & s0 was formed at a load current

4АПредложенное техническое решение предлагаетс использовать в мощных устройствах электропитани , создаваемых в4A The proposed technical solution is proposed for use in high-power power devices created in

5 Институте дл р да заинтересованных предпри тий. Экономическа эффективность предложенного решени в насто щее врем не исчисл лась. Технический эффект состоит в повышении КПД и надежности5 Institute for a number of interested enterprises. The cost-effectiveness of the proposed solution has not yet been calculated. The technical effect is to increase efficiency and reliability

0 устройства, что позволило создать на суще- итвующей элементной базе (транзисторы 2Т847А) силовые высокочастотные транзисторные ключи с рабочим током до 12 А.0 devices, which made it possible to create power high-frequency transistor switches with an operating current of up to 12 A on an existing elemental base (2T847A transistors)

4545

Claims

The claims

A power transistor switch containing a power transistor, two control transistors, a trigger and surge voltage sources, a resistor, a diode, the base of the power transistor is connected to emitters of the control transistors, the emitter of the power transistor is connected to the middle point of the trigger and block voltage sources, and the base control transistors are connected to one of the terminals of the resistor, the second terminal of which is connected to the input terminal, the collector of one of the control transistors is connected to the source of the locking voltage and so on. that, in order to increase efficiency and increase reliability, an additional transistor and a limiting resistor are introduced, the collector of the additional transistor is connected to the collector of the power transistor, the emitter of the additional transistor is connected to the collector of one of the control transistors, the base of the additional transistor is connected through the limiting resistor in parallel with which a diode connected to a trigger voltage source.