высоковольтный транзисторный ключ

Формула изобретения

ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ КЛЮЧ, содержащий n - p - n-транзистор, база которого подключена к клемме напряжения смещения, МДП-транзистор с n-каналом, сток которого подключен к эмиттеру n - p - n-транзистора, и конденсатор, первая обкладка которого подключена к истоку МДП-транзистора и общей шине, отличающийся тем, что в него введены оптрон, состоящий из светодиода и фотодиода, диод с барьером Шоттки и резистор, первый вывод которого подключен к клемме управления и катоду светодиода, анод которого подключен к второму выводу резистора и затвору МДП-транзистора, подложка которого подключена к второй обкладке конденсатора и аноду диода с барьером Шоттки, катод которого подключен к катоду фотодиода, анод которого подключен к общей шине.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для коммутации высоких напряжений, например, во вторичных источниках электропитания.

Известны высоковольтные транзисторные ключи с размыканием цепи по эмиттерному выводу. В таких ключах нижний n-p-n транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, при своем закрывании обрывает цепь эмиттера верхнего высоковольтного n-p-n транзистора, включенного по схеме с общей базой. При этом все процессы в высоковольтном транзисторе происходят только в цепи коллектор-база, т. е. фактически в диодной, а не в транзисторной структуре. Этим достигается значительное расширение областей безопасных режимов (отсутствие вторичного пробоя) в высоковольтном транзисторе, что обеспечивает повышенную надежность устройства. Варианты таких ключей отличаются друг от друга цепями управления транзисторов. Основной недостаток аналогов состоит в наличии дополнительных потерь энергии в нижнем n-p-n транзистора, что приводит к уменьшению КПД.

Наиболее близким техническим решением является высоковольтный транзисторный ключ, содержащий n-p-n транзистор, МДП-транзистор с n-каналом, сток которого подключен к эмиттеру n-p-n транзистора, а затвор - к клемме управления, и конденсатор, первая обкладка которого подключена к истоку с подложкой МДП-транзистора и общей шине, а вторая обкладка - к клемме напряжения смещения и базе n-p-n транзистора. Использование высокочастотного МДП-транзистора позволяет здесь снизить динамические потери, что приводит к повышению КПД. Основным недостатком прототипа следует считать возможность возникновения вторичного пробоя в МДП-транзисторе (Зарубежная электронная техника. , М. , N 11, 1988, стр. 24-30), что снижает его надежность.

Задача данного изобретения - повышение надежности высоковольтного транзисторного ключа, при этом достигается требуемый технический результат за счет устранения возможностей возникновения вторичного пробоя в МДП-транзисторе с n-каналом, в высоковольтном транзисторном ключе, содержащем n-p-n транзистор, база которого подключена к клемме напряжения смещения, МДП-транзистор с n-каналом, сток которого подключен к эмиттеру n-p-n транзистора, и конденсатор, первая обкладка которого подключена к истоку МДП-транзистора и общей шине; отличительные от прототипа признаки проявляются за счет введения оптрона, состоящего из светодиода и фотодиода, диода с барьером Шоттки и резистора, первый вывод которого подключен к клемме управления и катоду светодиода, анод которого подключен ко второму выводу резистора и затвору МДП-транзистора, подложка которого подключена ко второй обкладке конденсатора и аноду диода с барьером Шоттки, катод которого подключен к катоду фотодиода, анод которого подключен к общей шине.

При поступлении сигнала управления U_упр отрицательной полярности через светодиод будет протекать ток, что вызовет возникновение на фотодиоде, работающем в фотогальваническом (вентильном) режиме, напряжения, которое через диод с барьером Шоттки зарядит конденсатор. В результате биполярная структура в МДП-транзисторе будет надежно запертой отрицательным напряжением на подложке (базе), что делает невозможным развитие вторичного пробоя в МДП-транзисторе.

На чертеже представлена принципиальная схема высоковольтного транзисторного ключа, содержащая n-p-n транзистор 1, МДП-транзистор с n-каналом 2, конденсатор 3, оптрон, состоящий из светодиода 4 и фотодиода 5, диод с барьером Шоттки 6 и резистор 7. Сток МДП-транзистора 2 подключен к эмиттеру высоковольтного транзистора 1, база которого подключена к клемме напряжения смещения Е_см. Первая обкладка конденсатора 3 подключена к общей шине, истоку МДП-транзистора 2 и аноду фотодиода 5, катод которого подключен к катоду диода 6. Клемма управления U_упр подключена к катоду светодиода 4 и первому выводу резистора 7, второй вывод которого подключен к затвору МДП-транзистора 2 и аноду светодиода 4. Подложка МДП-транзистора 2 подключена ко второй обкладке конденсатора 3 и аноду диода 6. Цепь, состоящая из светодиода 4 и резистора 7, определяет динамический режим работы МДП-транзистора 2, способствуя повышению скорости его переключения (особенно, запирания).

Предлагаемое устройство работает следующим образом (аналогично прототипу и аналогам). При поступлении на клемму управления положительного U_упр оба транзистора 1 и 2 открыты и через них протекает рабочий ток. При поступлении на клемму управления отрицательного U_упр закрывается МДП-транзистор 2. Происходит быстрый перезаряд емкости затвор-исток МДП-транзистора 2 через светодиод 4, что способствует обеспечиванию высокого быстродействия устройства. При этом происходит размыкание цепи эмиттера для транзистора 1, что переводит его в закрытое состояние. Чтобы открыть теперь транзистор 1, необходимо одновременно открыть и МДП-транзистора 2.

Размыкание эмиттерной цепи повышает максимально-допустимое напряжение и ток коллектора транзистора 1, что и обеспечивает его надежную работу.

Основное отличие предлагаемого устройства состоит в следующем. При поступлении на клемму управления отрицательного U_упр будет протекать ток через светодиод 4, что вызовет в нем генерацию квантов света, которые воздействуя на фотодиод 5, образуют в нем вентильную ЭДС. Вентильное напряжение фотодиода 5 через диод 6 будет заряжать конденсатор 3. Использование диода с барьером Шоттки 6 здесь обусловлено малым падением напряжения на нем (малым напряжения "пятки"), примерно равным 0,2 В. Итак, конденсатор 3 зарядится до величины вентильного напряжения (у кремниевых фотодиодов оно примерно равно 0,7 В) за вычетом падения на диоде 6, т. е. примерно до величины 0,5 В. Этого отрицательного (запирающего) напряжения достаточно для надежного смещения в обратном направлении (запирания) p-n перехода исток-подложка МДП-транзистора 2. Это обстоятельство определяет закрытое состояние паразитной биполярной n-p-n структуры в МДП-транзисторе 2, коллектором которой является область стока, эмиттером - область истока, а базой - подложка. Диод 6 препятствует разряду конденсатора 3 в отсутствие отрицательного U_упр.

Тот факт, что в предлагаемом устройстве отрицательное напряжение на подложке предотвращает открывание паразитной n-p-n структуры, а, следовательно, и возможность возникновения вторичного пробоя в МДП-транзисторе 2, и определяет повышение надежности транзисторного ключа.

Экспериментальная проверка высоковольтного транзисторного ключа была проведена на МДП-транзисторах КП701, 2П803 и лабораторных образцах и оптронах АОД101А. По сравнению с прототипом в предлагаемом устройство наблюдалось надежное запирание паразитной n-p-n структуры МДП-транзистора по подложке напряжением близким к 0,5 В. Работа транзисторного ключа осуществлялась на частотах от 100 кГц до 1 мГц. При этом не было зафиксировано ни одного случая отказа МДП-транзистора. (56) Иванов-Цыганов А. И. и др. Источники вторичного электропитания приборов СВЧ, М. , Радио и связь, 1989, стр. 102.

Иванов-Цыганов А. И. и др. Источники вторичного электропитания приборов СВЧ, М. , Радио и связь, 1989, с. 102, рис. 4.36.0.