магнитно-транзисторный ключ с эмиттерной коммутацией

Формула изобретения

Магнитно-транзисторный ключ с эмиттерной коммутацией, содержащий силовой n-р-n-транзистор, трансформатор, конец вторичной обмотки которого соединен с эмиттером силового транзистора, начало - с его базой, источник питания цепи управления, транзистор цепи управления, резистор и конденсатор, отличающийся тем, что содержит только один трансформатор с двумя вторичными обмотками, соединенными встречно, причем коллектор силового n-р-n-транзистора включен в цепь нагрузки, эмиттер с концом вторичной обмотки трансформатора, имеющей меньшее количество витков, база подключена к общей точке начал вторичных обмоток, конец вторичной обмотки с большим числом витков подключен в цепь нагрузки со стороны эмиттера, эмиттер транзистора цепи управления соединен с отрицательным выводом источника питания цепи управления, коллектор - с началом первичной обмотки трансформатора, конец которой через параллельно включенные резистор и конденсатор соединен с положительным выводом источника питания цепи управления.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в преобразовательных устройствах с повышенным напряжением, в импульсных источниках вторичного электропитания.

Известна схема магнитно-транзисторного ключа с гальванической развязкой цепи управления от силовой (а.с. №1241453, кл. МПК Н 03 К 17/60 “Магнитно-транзисторный ключ”), содержащая силовой транзистор, эмиттер-коллекторные выводы которого подключены в последовательную цепь с нагрузкой, шинами источника питания и первичной обмоткой трансформатора тока, два транзисторных ключа, эмиттеры транзисторов которых соединены между собой, базовая цепь первого транзисторного ключа соединена с входной управляющей шиной, два резистора и диод, дополнительный трансформатор и вспомогательный источник питания, первичная обмотка дополнительного трансформатора крайними выводами соединена с коллекторами транзисторов транзисторных ключей, средним выводом через вторичную обмотку трансформатора тока - с общей шиной вспомогательного источника питания и через последовательно соединенные первый резистор и прямовключенный диод - с шиной вспомогательного источника питания, вторичная обмотка дополнительного трансформатора соединена с эмиттер-базовым переходом силового транзистора, база транзистора второго транзисторного ключа через второй резистор соединена с коллектором транзистора первого транзисторного ключа, эмиттер которого соединен с общей шиной вспомогательного источника питания.

Недостатком схемы является ее сложность, использование двух трансформаторов, двух дополнительных транзисторов управления и двух резисторов. Время запирания силового транзистора достаточно длительное, т.к. при запирании ток базы ограничивается первым резистором в цепи вспомогательного источника питания, включенным в цепь первичной обмотки дополнительного трансформатора.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является схема транзисторного коммутационного устройства по а.с. №1374421, кл. МПК Н 03 К 17/60, содержащая силовой транзистор, коллектор которого соединен с первой выходной клеммой через первичную обмотку первого трансформатора тока, двухсекционная вторичная обмотка которого соединена началом с анодом первого диода, второй диод, управляемый ключевой элемент, второй трансформатор тока, начало вторичной обмотки которого соединено с базой силового транзистора и второй выходной клеммой, конец вторичной обмотки второго трансформатора тока - с эмиттером силового транзистора, конденсатор, резистор, источник напряжения, первый вывод которого соединен через резистор с первым выводом конденсатора, катодами первого и второго диодов и с началом первичной обмотки второго трансформатора тока, конец которой соединен через управляемый ключевой элемент с вторым выводом источника напряжения, вторым выводом конденсатора и общим выводом соединения двух секций вторичной обмотки первого трансформатора тока, конец которой соединен с анодом второго диода.

Роль прерывателя тока выполняет вторичная обмотка трансформатора тока, включенная в эмиттерную цепь основного силового n-р-n транзистора, первичная обмотка трансформатора коммутируется управляемым ключевым элементом.

Недостатком прототипа является сложность схемы, т.к. в ней имеются два трансформатора тока, причем обмотки трансформаторов тока находятся в эмиттерной и коллекторной цепях силового n-р-n транзистора, поэтому изоляция обмоток должна быть рассчитана на полное значение коммутируемого им напряжения, т.к. остальные обмотки цепи управления имеют потенциальную связь.

Цель предлагаемого изобретения - упрощение схемы устройства, повышение его надежности и уменьшение массогабаритных показателей за счет применения только одного трансформатора с меньшей установленной мощностью.

Технический результат достигается тем, что в схеме транзисторного коммутационного устройства, взятого в качестве прототипа, содержащего источник питания цепи управления, силовой n-р-n транзистор, трансформатор, конец вторичной обмотки которого соединен с эмиттером силового транзистора, начало - с его базой, транзистор цепи управления, резистор и конденсатор, применен только один трансформатор с двумя вторичными обмотками, соединенными встречно, причем эмиттер силового транзистора соединен с концом вторичной обмотки, имеющей меньшее количество витков, база подключена к общей точке начал вторичных обмоток, конец вторичной обмотки с большим числом витков подключен в цепь нагрузки со стороны эмиттера, эмиттер транзистора цепи управления соединен с отрицательным выводом источника питания цепи управления, коллектор - с началом первичной обмотки трансформатора, конец которой через параллельно включенные резистор и конденсатор соединены с положительным выводом источника питания цепи управления.

На фиг.1. представлена схема предлагаемого магнитно-транзисторного ключа с эмиттерной коммутацией, где приняты следующие обозначения:

1 - силовой транзистор, работающий в режиме ключа;

2 - вторичная обмотка трансформатора с меньшим числом витков w₂;

3 - трансформатор;

4 - вторичная обмотка трансформатора с большим числом витков w₃;

5 - транзистор цепи управления (управляемый ключевой элемент);

6 - первичная обмотка трансформатора с числом витков w₁;

7 - резистор;

8 - конденсатор.

Магнитно-транзисторный ключ с эмиттерной коммутацией содержит силовой n-р-n транзистор 1, коллектор которого включен в цепь нагрузки, эмиттер - с концом вторичной обмотки 2 трансформатора 3, вторичные обмотки 2 и 4 которого соединены встречно, база подключена к общей точке начал вторичных обмоток 2 и 4, конец вторичной обмотки 4 подключен в цепь нагрузки со стороны эмиттера, транзистор цепи управления 5, эмиттер которого соединен с отрицательным выводом источника питания цепи управления, коллектор - с началом первичной обмотки 6 трансформатора 3, конец которой через параллельно включенные резистор 7 и конденсатор 8 соединен с положительным выводом источника питания цепи управления.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии силовой транзистор 1 закрыт, а транзистор цепи управления 5 открыт и насыщен. В отличие от прототипа силовой 1 и управляющий 5 транзисторы работают в противофазе. Ток коллектора транзистора цепи управления 5 ограничивается величиной сопротивления резистора 7.

При подаче запирающего сигнала на транзистор цепи управления 5 последний запирается, и энергия, накопленная индуктивностью намагничивания трансформатора 3, трансформируется во вторичные обмотки 2 и 4, вызывая быстрое регенеративное открывание силового транзистора 1 до его насыщения.

При этом трансформатор 3 работает в режиме трансформации тока. На интервале времени открытого состояния силового транзистора 1 и закрытого транзистора цепи управления 5 конденсатор 8 разряжается на резистор 7 практически до нуля.

При подаче отпирающего сигнала на транзистор цепи управления 5 последний открывается и к обмотке 6 прикладывается практически полное напряжение управления, за исключением падения напряжения на открытом транзисторе цепи управления 5 и разряженном конденсаторе 8.

Трансформатор 3 при этом работает в режиме трансформации напряжения. Возникшее при этом запирающее напряжение на обмотке 2 или переходе база - эмиттер силового транзистора 1 приводит к быстрому рассасыванию зарядов из перехода база - эмиттер силового транзистора 1 и прекращению его эмиттерного тока, что эквивалентно разрыву эмиттерной цепи силового транзистора 1.

Силовой транзистор 1 быстро запирается и на интервале его закрытого состояния, открытого состояния транзистора цепи управления 5, который в однотактных схемах продолжается не менее полупериода рабочей частоты, конденсатор 8 заряжается от напряжения питания цепи управления через обмотку 6 трансформатора 3. Величина емкости конденсатора 8 должна быть достаточной для завершения процесса рассасывания неосновных носителей из слоя базы. Напряжение на обмотке 6 спадает, следовательно, спадает и запирающее напряжение на обмотке 2. Ток обмотки 6 ограничивается резистором 7, а трансформатор 3 готов к следующему моменту открывания силового транзистора 1.

При запирании силового транзистора 1 ток его коллектора переключается в цепь базы и, суммируясь с током намагничивания, ускоряет процесс рассасывания носителей заряда в базе, т.е. время запирания силового транзистора. При этом область его безопасной работы расширяется до предельных значений: максимальное значение тока - L_к и максимальное напряжение эмиттер - коллектор - U_кэ.

При работе трансформатора в режиме трансформации тока, пренебрегая малым током намагничивания, из равновесия намагничивающих сил следует:

i_э - величина тока эмиттера силового транзистора;

i_б - величина тока базы,

i_н - величина тока нагрузки.

Поэтому в схеме ключа обеспечивается пропорционально-токовое управление (ток базы силового транзистора пропорционален току нагрузки). Заданная степень насыщения S силового транзистора с коэффициентом усиления обеспечивается положительной обратной связью между токами базы и нагрузки за счет встречно включенных вторичных обмоток трансформатора. При этом должно выполняться условие:

Следовательно, при S=1 и =3 необходимо иметь w₂=3, w₃=4.

Для получения положительной обратной связи необходимо, чтобы обмотка 4 была хотя бы на один виток больше, чем обмотка 2.

При работе трансформатора в режиме напряжения где

U_y - напряжение питания цепи управления.

Таким образом, в принципиальной схеме магнитно-транзисторного ключа с эмиттерной коммутацией используется только один трансформатор, вторичные обмотки которого соединены встречно, на меньшую установленную мощность по сравнению с суммарной мощностью трансформаторов прототипа, который при запирании силового транзистора используется как трансформатор напряжения. Открывание силового транзистора происходит в момент закрывания транзистора цепи управления за счет индуктивного выброса. На интервале времени закрытого состояния транзистора цепи управления трансформатор работает в режиме трансформации тока, при этом обеспечивается пропорционально-токовое управление и потенциальная развязка силовой и управляющей цепей, повышается надежность, расширяется область безопасной работы и повышается быстродействие магнитно-транзисторного ключа.

Устройство предназначено для использования в источниках электропитания мобильной наземной РЛС обнаружения целей, разрабатываемой в настоящее время нашим институтом.