RU2257007C1 - Электронный ключ с трансформаторной развязкой - Google Patents

Электронный ключ с трансформаторной развязкой Download PDF

Info

Publication number
RU2257007C1
RU2257007C1 RU2004103754/09A RU2004103754A RU2257007C1 RU 2257007 C1 RU2257007 C1 RU 2257007C1 RU 2004103754/09 A RU2004103754/09 A RU 2004103754/09A RU 2004103754 A RU2004103754 A RU 2004103754A RU 2257007 C1 RU2257007 C1 RU 2257007C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
input
mos transistor
transistor
output
transformer
Prior art date
Application number
RU2004103754/09A
Other languages
English (en)
Inventor
В.Л. Коган (RU)
В.Л. Коган
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Алмаз"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Алмаз" filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Алмаз"
Priority to RU2004103754/09A priority Critical patent/RU2257007C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2257007C1 publication Critical patent/RU2257007C1/ru

Links

Images

Landscapes

  • Electronic Switches (AREA)

Abstract

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в импульсных модуляторах, радиолокации. Достигаемый технический результат - расширение функциональных возможностей путем повышения его быстродействия. Электронный ключ с трансформаторной развязкой содержит МДП-транзистор, транзисторный ключ, диод, два трансформатора, инвертор, два формирователя пакетов импульсов, в качестве которых использованы два управляемых генератора коротких импульсов, две схемы задержки переднего фронта. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

Description

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в импульсных модуляторах, применяемых, например, в радиолокации.
Известны электронные транзисторные ключи с трансформаторной развязкой входа и выхода на основе МДП-транзисторов (П.А.Воронин “Силовые полупроводниковые ключи”, М., издательский дом “Додэка-XXl”, 2001, с. 191). Они содержат МДП-транзистор, развязывающий трансформатор, диод, через который осуществляется заряд входной емкости МДП-транзистора, и дополнительный транзисторный ключ, обеспечивающий быстрый разряд входной емкости МДП-транзистора. Управление осуществляется пакетами импульсов. При этом каждый импульс пакета своим переднем фронтом включает МДП-транзистор, а задним фронтом открывает дополнительный транзисторный ключ, запирая МДП-транзистор.
Недостатком этих устройств является их низкая надежность из-за необходимости при выпрямлении пакетов импульсов обеспечить компромисс между глубиной провалов вершины выпрямленного пакета и длительностью его фронтов.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности является электронный ключ (Патент РФ №2037265, МПК Н 03 К 17/60, oпубл. 09.06.95 г.), в который введен второй трансформатор. Включение осуществляется через первый трансформатор включающим пакетом импульсов, а выключение - с помощью дополнительного транзисторного ключа через второй трансформатор выключающим пакетом импульсов. Это обеспечивает более надежное включение и выключение МДП-транзистора на всю длительность каждого пакета импульсов. Первый импульс в пакете осуществляет переключение, а все последующие - подтверждение состояния (включено или выключено). Импульсы того и другого пакетов вырабатываются одним генератором и распределяются по пакетам в соответствии с входным сигналом (высокий уровень - включающий пакет, низкий уровень - выключающий пакет).
Недостатком этого устройства является большая и постоянно меняющаяся задержка моментов переключения относительно фронтов управляющего (входного) сигнала. Переключения следуют в моменты, совпадающие с фронтами тактовых импульсов. Задержка моментов переключения относительно фронтов управляющего сигнала может достигать двух периодов следования тактовых импульсов. Это делает невозможным использование таких ключей, например, для модуляции сигнала в радиолокации.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является улучшение массогабаритных показателей и расширение функциональных возможностей электронного ключа путем привязки передних фронтов первых импульсов в пакете к фронтам управляющего сигнала, что дает возможность построения быстродействующего модулятора.
Решение поставленной задачи достигается с помощью электронного ключа с трансформаторной развязкой, содержащего МДП-транзистор, транзисторный ключ, выходы которого включены между затвором и истоком МДП-транзистора, диод, первый трансформатор, вторичная обмотка которого началом соединена с истоком МДП-транзистора, а концом - с анодом диода, катод которого соединен с затвором МДП-транзистора, второй трансформатор, вторичная обмотка которого началом соединена с истоком МДП-транзистора, а концом - с входом транзисторного ключа, инвертор, первый и второй формирователи пакетов импульсов, выходы которых соединены с первичными обмотками соответственно первого и второго трансформаторов, в котором, в отличие от прототипа, в качестве формирователей пакетов импульсов использованы два управляемых генератора коротких импульсов с большой скважностью (более 10), первые импульсы которых совпадают с фронтами управляющего сигнала, и введены: первая схема задержки переднего фронта, выход которой соединен со входом первого управляемого генератора, а вход - со входом электронного ключа и входом инвертора, и вторая схема задержки переднего фронта, выход которой соединен с входом второго управляемого генератора, а вход - с выходом инвертора.
Схема задержки переднего фронта, как одна из частных форм реализации, содержит RC-цепь, шунтирующий диод и пороговый элемент, причем один вывод резистора RC-цепи и катод шунтирующего диода соединены с входом схемы, а второй вывод резистора RC-цепи и анод шунтирующего диода соединены с первым выводом конденсатора RC-цепи и входом порогового элемента, второй вывод конденсатора RC-цепи соединен с общей шиной, а выход порогового элемента является выходом схемы задержки переднего фронта. Управляемый генератор содержит микросхему таймера, времязадающий конденсатор, высокоомный и низкоомный резисторы, причем времязадающий конденсатор и высокоомный резистор соединены с входом управляемого генератора, а их вторые выводы соединены с выводами низкоомного резистора, общая точка двух резисторов соединена со входом цепи разряда таймера, а общая точка низкоомного резистора и времязадающего конденсатора соединена с триггерным и пороговым входами таймера, а выход таймера является выходом управляемого генератора.
Кроме того, для формирования импульсов с крутыми фронтами в электронный ключ введены второй МДП-транзистор со своим диодом и транзисторным ключом, вторые вторичные обмотки трансформаторов и два резистора, включенные последовательно с диодами, вторая вторичная обмотка второго трансформатора началом соединена с истоком второго МДП-транзистора, а концом - с его затвором через цепь резистор-диод, вторая вторичная обмотка первого трансформатора началом соединена с истоком второго МДП-транзистора, а концом - с входом второго транзисторного ключа, сток первого МДП-транзистора соединен с положительной шиной питания, исток второго МДП-транзистора соединен с отрицательной шиной питания, а его сток соединен с истоком первого МДП-транзистора и является выходом электронного ключа.
Для увеличения амплитуды формируемых импульсов в n раз дополнительно введено и последовательно соединено соответственно с имеющимися первым и вторым МДП-транзиторами п-1 первых МДП-транзисторов и n-1 вторых МДП-транзисторов с соответствующими резисторами, диодами, транзисторными ключами, первыми и вторыми вторичными обмотками первого и второго трансформаторов, причем параллельно всем МДП-транзисторам включены шунтирующие резисторы.
Предложенное устройство за счет совокупности отличительных признаков по сравнению с прототипом обладает более высоким быстродействием, что позволяет использовать его для модуляции сигналов в радиолокации. Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена блок-схема электронного ключа с трансформаторной развязкой; на фиг.2 - временные диаграммы напряжений, поясняющие работу заявляемого ключа.
Электронный ключ с трансформаторной развязкой (фиг.1) содержит МДП-транзистор 1, транзисторный ключ 2, диод 3, первый и второй трансформаторы соответственно 4 и 5, два генератора 6 и 7 пакетов импульсов, первую 8 и вторую 9 схемы задержки передних фронтов и инвертор 10. Вход инвертора 10 соединен с входом устройства и входом первой 8 схемы задержки переднего фронта, выход инвертора 10 соединен с входом второй 9 схемы задержки передних фронтов, выходы схем задержки передних фронтов соединены с входами соответствующих генераторов 6 и 7 пакетов импульсов, выходы последних соединены с первичными обмотками соответствующих первого и второго трансформаторов 4 и 5. Вторичная обмотка первого трансформатора 4 соединена одним концом с истоком МДП-транзистора 1, а вторым концом с анодом диода 3, катод которого соединен с затвором МДП-транзистора 1. Вторичная обмотка второго трансформатора 5 соединена одним концом с истоком МДП-транзистора 1, а вторым концом с входом транзисторного ключа 2, выходы которого соединены с затвором и истоком МДП-транзистора 1.
Временные диаграммы напряжений (фиг.2) поясняют работу предлагаемого электронного ключа, где 11 - входной сигнал, 12 - выходной сигнал инвертора 10, 13 - выходной сигнал первой схемы 8 задержки переднего фронта, 14 - выходной сигнал второй схемы 9 задержки переднего фронта, 15 - выходной сигнал генератора 6 пакетов импульсов, 16 - выходной сигнал генератора 7 пакетов импульсов, 17 - напряжение на переходе затвор-исток МДП-транзистора.
Электронный ключ с трансформаторной развязкой работает следующим образом. Если управляющий (входной) сигнал имеет высокий уровень, первый управляемый генератор 6 вырабатывает короткие (доли микросекунды) импульсы 15 с большой скважностью (более 10). Эти импульсы проходят первый трансформатор 4, обеспечивающий гальваническую развязку, и через диод 3 заряжают входную емкость МДП-транзистора 1 (ее величина порядка тысяч пикофарад). На выходе второго генератора 7 импульсов нет - 16, на затворе положительное напряжение 17, МДП-транзистор открыт. Если управляющий сигнал имеет низкий уровень, на выходе генератора 6 нет импульсов 15, на выходе инвертора 10 высокий уровень сигнала 12 и на выходе генератора 7 вырабатываются короткие импульсы с большой скважностью 16, которые проходят второй трансформатор 5, тоже обеспечивающий гальваническую развязку, и с помощью транзисторного ключа 2 разряжают входную емкость МДП-транзистора. На затворе напряжение относительно истока равно нулю 17. МДП-транзистор закрыт. Открытое или закрытое состояние МДП-транзистора поддерживается периодическим следованием импульсов во включающем или выключающем пакете. Первый импульс пакета изменяет состояние МДП-транзистора и следует за соответствующим фронтом с задержкой не меньшей, чем длительность заднего фронта подтверждающих импульсов. Подтверждающими импульсами являются все импульсы в пакетах, кроме первых, которые являются переключающими. Задержка, осуществляемая схемами задержки переднего фронта, мала (доли микросекунды) и имеет постоянную величину. Она нужна, чтобы исключить перекрытие переключающих импульсов с задним фронтом импульсов, подтверждавших предыдущее состояние. Скважность подтверждающих импульсов ограничивается с верхней стороны временем разряда входной емкости МДП-транзистора через утечки и запертые транзисторный ключ 2 и диод 3. Практически это 100 мкс и более. Развязывающие трансформаторы 4 и 5 передают короткие импульсы (доли микросекунды) при большой скважности. Это позволяет упростить их (использовать по две обмотки вместо трех в прототипе) и уменьшить массу и габариты, так как мощность трансформируемого сигнала обратно пропорциональна скважности. Малое число витков в обмотках этих трансформаторов позволяет обеспечить высокопотенциальную развязку (10 кВ и более) при малых габаритах.
На фиг.3 представлена схема задержки переднего фронта, которая содержит резистор 18 и конденсатор 19 RC-цепи, диод 20 и пороговый элемент 21, общую шину 22 RC-цепи. Передний фронт нарастает с постоянной времени, равной произведению сопротивления резистора 18 и емкости конденсатора 19. Пороговый элемент 21 (например, компаратор) формирует крутой фронт, задержанный описанной RC-цепью. Задний фронт не задерживается, так как при спаде входного напряжения конденсатор 19 мгновенно разряжается через диод 20.
Управляемый генератор (фиг.4) содержит микросхему таймера 26, времязадающий конденсатор 23, высокоомный резистор 24 и низкоомный резистор 25. При высоком уровне напряжения на входе генератора обкладка конденсатора, соединенная с триггерным 27 и пороговым 28 входами таймера, заряжается через резисторы 24 и 25 и, когда напряжение на ней достигает 2/3 питания таймера, на выходе таймера происходит отрицательный перепад напряжения и вход 29 цепи разряда таймера соединяется с корпусом, быстро разряжая конденсатор 23 через низкоомный резистор 25. При достижении уровня, равного 1/3 питания таймера, на выходе 30 таймера происходит положительный перепад напряжения. Далее процесс повторяется. Происходит генерация кратковременных отрицательных импульсов с большой скважностью. Когда на входе генератора происходит спад напряжения до нуля, напряжение на входах 27 и 28 таймера 26 падает ниже уровня, равного 1/3 питания таймера, независимо от предшествующего значения этого напряжения, т.е. генерация мгновенно прекращается в любом случае. Когда на входе генератора происходит положительный перепад напряжения, напряжение на входах 27 и 28 таймера мгновенно поднимается выше уровня, равного 2/3 питания таймера, независимо от предшествующего значения этого напряжения, после чего происходит разряд конденсатора 23 через низкоомный резистор 25. Таким образом, генерирование начинается с формирования такого же импульса, как и все последующие. Передний фронт этого импульса совпадает с передним фронтом управляющего сигнала.
Импульсы с крутыми фронтами невозможно сформировать одним электронным ключом из-за заметной величины выходной емкости закрытого ключа при конечной величине нагрузочного сопротивления. Крутые фронты можно получить, заменив нагрузочное сопротивление вторым МДП-транзистором, который переключается в противофазе с первым МДП-транзистором, т.е. сформировав парафазный ключ.
Парафазный ключ (фиг.5) содержит положительную 36 и отрицательную 37 шины питания, МДП-транзисторы первый 1 и второй 31, транзисторные ключи 2 и 32, диоды 3 и 33, резисторы 34 и 35, трансформаторы 4 и 5 с двумя вторичными обмотками каждый, управляемые генераторы 6 и 7 импульсов, схемы 8 и 9 задержки передних фронтов и инвертор 10. При этом важно не допустить сквозных токов за счет введения кратковременной паузы. Пауза формируется RC-цепями из входных емкостей МДП-транзисторов и резисторов 34 и 35, введенных последовательно с диодами 3 и 33. RC-цепи задерживают включение первого МДП-транзистора. Выключение второго МДП-транзистора осуществляется тем же сигналом, но без задержки. Так формируется пауза. Кратковременная пауза создает возможность последовательного включения МДП-транзисторов для увеличения амплитуды формируемых импульсов, т.к. неодновременность включения и выключения транзисторов в последовательных цепочках не приводит к перенапряжениям за счет того, что другая последовательная цепочка в это время еще полностью выключена.
Парафазный электронный ключ с трансформаторной развязкой на повышенное в n раз напряжение (фиг.6) содержит шины питания 36 и 37, n первых МДП-транзисторов 1 и n вторых МДП-транзисторов 31, n шунтирующих резисторов 38 и n шунтирующих резисторов 39, n транзисторных ключей 2 и n транзисторных ключей 32, n диодов 3 и n диодов 33, n резисторов 34 и n резисторов 35, трансформаторы 4 и 5 с 2п вторичными обмотками каждый, управляемые генераторы импульсов 6 и 7, схемы задержки передних фронтов 8 и 9 и инвертор 10. Шунтирующие резисторы 38...38n и 39...39n обеспечивают равномерное распределение напряжения на последовательно включенных запертых транзисторах в цепочках МДП-транзисторов. Кратковременные задержки включения, гарантировавшие отсутствие сквозных токов парафазного ключа, в этом случае исключают перенапряжение на МДП-транзисторах во время процедуры переключения.

Claims (5)

1. Электронный ключ с трансформаторной развязкой, содержащий МДП-транзистор, транзисторный ключ, выходы которого включены между затвором и истоком МДП-транзистора, диод, первый трансформатор, вторичная обмотка которого началом соединена с истоком МДП-транзистора, а концом - с анодом диода, катод которого соединен с затвором МДП-транзистора, второй трансформатор, вторичная обмотка которого началом соединена с истоком МДП-транзистора, а концом - с входом транзисторного ключа, инвертор, первый и второй формирователи пакетов импульсов, выходы которых соединены с первичными обмотками соответственно первого и второго трансформаторов, отличающийся тем, что в качестве формирователей пакетов импульсов использованы два управляемых генератора коротких импульсов, первые импульсы которых совпадают с фронтами управляющего сигнала, и введены первая схема задержки переднего фронта, выход которой соединен со входом первого управляемого генератора, а вход - со входом электронного ключа и входом инвертора, и вторая схема задержки переднего фронта, выход которой соединен со входом второго управляемого генератора, а вход - с выходом инвертора.
2. Электронный ключ с трансформаторной развязкой по п.1, отличающийся тем, что схема задержки переднего фронта содержит RC-цепь, шунтирующий диод и пороговый элемент, причем один вывод резистора RC-цепи и катод шунтирующего диода соединены со входом схемы, а другой вывод резистора RC-цепи и анод шунтирующего диода соединены с первым выводом конденсатора RC-цепи и входом порогового элемента, второй вывод конденсатора RC-цепи соединен с общей шиной, а выход порогового элемента является выходом схемы задержки переднего фронта.
3. Электронный ключ с трансформаторной развязкой по п.1, отличающийся тем, что управляемый генератор содержит микросхему таймера, времязадающий конденсатор, высокоомный и низкоомный резисторы, причем первые выводы времязадающего конденсатора и высокоомного резистора соединены со входом управляемого генератора, а их вторые выводы соединены с выводами низкоомного резистора, общая точка двух резисторов соединена со входом цепи разряда таймера, а общая точка низкоомного резистора и времязадающего конденсатора соединена с триггерным и пороговым входами таймера, а выход таймера является выходом управляемого генератора.
4. Электронный ключ с трансформаторной развязкой по п.1, отличающийся тем, что в него введены второй МДП-транзистор со своим диодом и транзисторным ключом, вторые вторичные обмотки трансформаторов и два резистора, включенные последовательно с диодами, вторая вторичная обмотка второго трансформатора началом соединена с истоком второго МДП-транзистора, а концом - с его затвором через цепь резистор - диод, вторая вторичная обмотка первого трансформатора началом соединена с истоком второго МДП-транзистора, а концом - с входом второго транзисторного ключа, сток первого МДП-транзистора соединен с положительной шиной питания, исток второго МДП-транзистора соединен с отрицательной шиной питания, а его сток соединен с истоком первого МДП-транзистора и является выходом электронного ключа.
5. Электронный ключ с трансформаторной развязкой по п.4, отличающийся тем, что в него дополнительно введено и последовательно соединено соответственно с имеющимися первым и вторым МДП-транзисторами n-1 первых МДП-транзисторов и n-1 вторых МДП-транзисторов с соответствующими резисторами, диодами, транзисторными ключами, первыми и вторыми вторичными обмотками первого и второго трансформаторов, причем параллельно всем МДП-транзисторам включены шунтирующие резисторы.
RU2004103754/09A 2004-02-09 2004-02-09 Электронный ключ с трансформаторной развязкой RU2257007C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004103754/09A RU2257007C1 (ru) 2004-02-09 2004-02-09 Электронный ключ с трансформаторной развязкой

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004103754/09A RU2257007C1 (ru) 2004-02-09 2004-02-09 Электронный ключ с трансформаторной развязкой

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2257007C1 true RU2257007C1 (ru) 2005-07-20

Family

ID=35842694

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2004103754/09A RU2257007C1 (ru) 2004-02-09 2004-02-09 Электронный ключ с трансформаторной развязкой

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2257007C1 (ru)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2547217C2 (ru) * 2013-06-13 2015-04-10 Валерий Борисович Бабанин Последовательный интерфейс управления многоразрядным знакосинтезирующим индикатором
RU2553099C1 (ru) * 2014-08-26 2015-06-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Транзисторный ключ с защитой от короткого замыкания
RU2595937C1 (ru) * 2015-08-21 2016-08-27 Евгений Леонидович Пущин Релаксационный генератор импульсов на лавинном транзисторе с низким напряжением питания
RU2601172C2 (ru) * 2015-04-03 2016-10-27 Акционерное Общество "Научно-Исследовательский Институт Микроэлектронной Аппаратуры "Прогресс" Переключатель с высокой изоляцией
RU2775297C1 (ru) * 2022-02-08 2022-06-29 Юрий Николаевич Цыбин Способ и устройство коммутации напряжения питания

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2547217C2 (ru) * 2013-06-13 2015-04-10 Валерий Борисович Бабанин Последовательный интерфейс управления многоразрядным знакосинтезирующим индикатором
RU2553099C1 (ru) * 2014-08-26 2015-06-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Транзисторный ключ с защитой от короткого замыкания
RU2601172C2 (ru) * 2015-04-03 2016-10-27 Акционерное Общество "Научно-Исследовательский Институт Микроэлектронной Аппаратуры "Прогресс" Переключатель с высокой изоляцией
RU2595937C1 (ru) * 2015-08-21 2016-08-27 Евгений Леонидович Пущин Релаксационный генератор импульсов на лавинном транзисторе с низким напряжением питания
RU2775297C1 (ru) * 2022-02-08 2022-06-29 Юрий Николаевич Цыбин Способ и устройство коммутации напряжения питания

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10097085B2 (en) System and method for generating high pulsed power, comprising a single power supply
US9496862B2 (en) Circuit arrangement for actuating a semiconductor switching element
US10211816B2 (en) Generator of powerful nanosecond pulses (variants)
CN110620573B (zh) 功率半导体开关的驱动电路
EP2800273A1 (en) Device and method for use in controlling pulse output
WO2013097299A1 (zh) 用于电压交替脉冲输出的设备和方法
US7663351B2 (en) Synchronization circuitry for multiple power converters coupled at a common node
Canacsinh et al. New solid-state Marx topology for bipolar repetitive high-voltage pulses
US10924092B2 (en) Combining voltage ramps to create linear voltage ramp
RU2257007C1 (ru) Электронный ключ с трансформаторной развязкой
US11152926B2 (en) Modulator for controlling current pulse and method thereof
RU2339158C2 (ru) Высоковольтный импульсный модулятор со стабилизацией амплитуды импульсов и электронный ключ для него (варианты)
RU2636108C1 (ru) Генератор высоковольтных импульсов
RU2734322C1 (ru) Устройство и способ управления высоковольтным полупроводниковым коммутирующим устройством
CN111381143B (zh) 一种rbdt动态特性测试装置及测试方法
RU2416156C1 (ru) Генератор прямоугольных импульсов
RU2684505C1 (ru) Генератор высоковольтных импульсов для запуска управляемых вакуумных разрядников
US11211770B2 (en) Control circuit for a laser diode
RU2745112C1 (ru) Генератор наносекундных импульсов
US2547987A (en) Sawtooth voltage generator
SU1758843A1 (ru) Высоковольтный тиратронный коммутатор
RU118139U1 (ru) Генератор высоковольтных импульсов
Lee et al. Design and Scaled Test of Solid-State Marx Modulator for Proton Beam Extraction
RU2368069C1 (ru) Генератор высоковольтных импульсов
SU1637002A1 (ru) Устройство гальванической разв зки

Legal Events

Date Code Title Description
PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20120614

PD4A Correction of name of patent owner