Устройство управления мощным полевым транзистором

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ МОЩНЫМ ПОЛЕВЫМ ТРАНЗИСТОРОМ(71) Заявитель Акционерное общество Атлант Минский завод холодильников(73) Патентообладатель Акционерное общество Атлант Минский завод холодильников(57) Устройство управления мощным полевым транзистором, содержащее две схемы коммутации, одна из которых служит для включения мощного полевого транзистора, другаядля его выключения, каждая из схем коммутации содержит генератор пусковых импульсов, трансформатор, первый диод и переключающий транзистор, отличающееся тем, что в каждую из схем коммутации введены транзистор, управляющий электрод которого соединен через разделительный конденсатор с выходом генератора пусковых импульсов и через резистор смещения с его эмиттером и шиной заземления отдельного источника питания, коллекторс первым выводом первичной обмотки трансформатора, второй диод, включенный между коллектором переключающего транзистора и затвором мощного полевого транзистора, и ферритовое кольцо, насаженное на проводящую трубку, подсоединенную параллельно вторичной обмотке трансформатора, при этом второй вывод первичной обмотки трансформатора подключен к анодной шине отдельного источника питания, первый вывод вторичной обмотки трансформатора соединен через первый диод с эмиттером переключающего транзистора, второй вывод вторичной обмотки трансформатора соединен с истоком мощного 2938 1 полевого транзистора и через ограничительный резистор с управляющим электродом переключающего транзистора, причем площадь сечения магнитопровода ферритового кольцаи амплитуда импульса напряжения на вторичной обмотке трансформатора при отсутствии проводящей трубки с ферритовым кольцом 0 определены из соотношений,2, гденапряжение переключения ферритового кольца, принимаемое равным заданному уровню напряжения заряда входной емкости мощного полевого транзисторавремя переключения ферритового кольца, равное времени заряда входной емкости до напряжения максимальное значение магнитной индукции ферритового кольца при динамическом намагничивании фдлительность фронта импульса на вторичной обмотке трансформатора.(56) 1.4511815 , МПК Н 03 К 17/687, 1985 2.60-49377 В 2, МПК Н 03 К 17/687, 1985 3.2 556 905 А 1, МПК Н 03 К 17/687, 1985 (прототип). Изобретение относится к области импульсной техники и может быть использовано для управления мощными полевыми транзисторами в однотактных импульсных схемах и в мостовых схемах преобразователей. Мощные полевые транзисторы с изолированным затвором находят все более широкое применение в источниках вторичного электропитания, преобразователях постоянного тока в переменный, а также в схемах формирования импульсов тока амплитудой в несколько десятков ампер и частотой, достигающей несколько МГц. Большая входная емкость полевых транзисторов с вертикальным каналом обусловливает ряд требований к устройствам запуска при работе транзисторов на высоких частотах и в двухтактных схемах преобразователей, а именно, время заряда-разряда входной емкости полевых транзисторов не должно превышать несколько десятков наносекунд, по крайней мере, 10-7 с напряжение заряда входной емкости не должно превышать максимально допустимого значения, для различных типов транзисторов составляющего величину 10-20 В, - в то же время должно быть близко к данной величине при работе в ключевом режиме, поскольку превышение напряжения выше максимально допустимой величины приводит к выходу транзистора из строя, а активное сопротивление канала сток-исток уменьшается с увеличением напряжения заряда входной емкости. Известно устройство для управления мощным полевым транзистором (ключом), содержащее генератор пусковых импульсов, вырабатывающий импульсы одной полярности трансформатор, первичная обмотка которого подсоединена к выходу генератора пусковых импульсов, один вывод вторичной обмотки - к истоку маломощного полевого транзистора, сток которого соединен с затвором мощного полевого транзистора(ключа), второй вывод - к затвору маломощного и истоку мощного полевого транзистора параллельно выводам сток-исток маломощного полевого транзистора подключен диод в направлении, пропускающем положительные пусковые импульсы на затвор мощного полевого транзистора 1. В таком устройстве включение мощного полевого транзистора происходит положительными импульсами генератора пусковых импульсов, а выключение - за счет энергии, накопленной в сердечнике вышеупомянутого трансформатора, на вторичной обмотке которого возникают импульсы отрицательной полярности после прекращения пускового импульса. При появлении импульса отрицательной полярности на вторичной обмотке трансформатора открывается маломощный полевой транзистор и происходит разряд входной емкости мощного полевого транзистора и форсированное его выключение. Данная схема запуска обеспечивает разряд входной емкости мощного полевого транзистора только при накоплении в сердечнике трансформатора достаточной энергии, что приводит к увеличению его объема, - в противном случае необходимо формировать пусковые импульсы положительной и отрицательной полярности. Схема также позволяет избежать паразитных колебаний, обусловленных входной емкостью мощного полевого транзистора и индуктивностью в цепи запуска. Недостатком данного устройства является сравнительно большое время заряда входной емкости полевого транзистора, составляющее несколько сотен наносекунд и определяемое квадратным корнем от произведения величины входной емкости полевого транзистора и индуктивности трансформатора. Известно устройство для коммутации мощного полевого транзистора, содержащее генератор пусковых импульсов, вырабатывающий положительные и отрицательные импульсы управления, подаваемые на базы двух переключающих транзисторов, в коллекторную цепь первого переключающего транзистора включена первичная обмотка 2 2938 1 трансформатора, коллектор второго соединен с базой транзистора обратной полярности, подключенного через первый диод параллельно первичной обмотке вышеупомянутого трансформатора конденсатор, подсоединенный параллельно вторичной обмотке трансформатора через второй диод, включенный в прямом направлении, один из выводов конденсатора подключен к истоку, второй - к затвору мощного полевого транзистора через ограничительный резистор выключающий транзистор подсоединен параллельно второму диоду, причем коллекторный вывод транзистора подсоединен к точке соединения выводов вышеупомянутых конденсатора, второго диода и ограничительного резистора, эмиттерный вывод - к точке соединения выводов вторичной обмотки трансформатора и анода диода, базовый вывод - через опорный диод к точке соединения истока мощного полевого транзистора с выводами вторичной обмотки трансформатора и конденсатора, между эмиттером и базой транзистора включен резистор 2. Цепь, образованная последовательно включенными транзистором и первым диодом и подсоединенная параллельно первичной обмотке трансформатора, служит для запрещения или разрешения формирования импульса обратной полярности. Конденсатор, подсоединенный через диод параллельно вторичной обмотке трансформатора, заряжается короткими положительными импульсами тока, открывая мощный полевой транзистор. Ускоренный разряд вышеупомянутого конденсатора и входной емкости мощного полевого транзистора проводится при подаче импульсов отрицательной полярности через выключающий транзистор. Опорный диод, соединенный с базовым выводом данного транзистора служит для увеличения уровня срабатывания транзистора от импульсов отрицательной полярности и соответственно для уменьшения влияния паразитных колебательных процессов и повышения помехоустойчивости схемы. Работа с импульсами более короткой длительности позволяет значительно уменьшить габариты и индуктивность трансформатора, что также приводит к ослаблению влияния паразитных колебаний в цепи управления мощным полевым транзистором. Недостатками известного устройства являются сравнительно большое время включения и выключения мощного полевого транзистора, обусловленное увеличением времени заряда и разряда его входной емкости и емкости конденсатора и отсутствие защиты затвора мощного полевого транзистора от перегрузок по напряжению. Наиболее близким по технической сущности является устройство запуска мощного полевого транзистора, содержащее две схемы коммутации, выходы которых подсоединены между затвором и истоком мощного полевого транзистора, одна из которых служит для его включения, вторая - выключения, каждая из этих схем коммутации содержит генератор пусковых импульсов, трансформатор и переключающий транзистор, причем генераторы пусковых импульсов каждой из схем коммутации вырабатывают импульсы, соответствующие логическому состоянию 1 и 0 соответственно, первичные обмотки трансформаторов соединены с выходами генераторов пусковых импульсов, один из выводов вторичной обмотки через диод и последовательно соединенный с ним переключающий транзистор соединен с затвором мощного полевого транзистора, вторые выводы - с его истоком. Запуск переключающих транзисторов проводится от дополнительной вторичной обмотки трансформаторов, соединенной с затвором и истоком переключающего транзистора 3. При формировании импульса положительной полярности на вторичной обмотке трансформатора открывается включающий транзистор и происходит заряд входной емкости мощного полевого транзистора и его включение, - в это время выключающий транзистор заперт импульсом, формируемым на вторичной обмотке трансформатора схемы коммутации, служащей для выключения, что соответствует логическому состоянию 1 и 0 генераторов пусковых импульсов. При смене их логических состояний выключающий транзистор открывается и происходит разряд входной емкости мощного полевого транзистора. В данной схеме управления масса и габариты управляющих трансформаторов практически не зависят от длительности включенного (и выключенного) состояния мощного полевого транзистора, поскольку трансформатор может передавать только короткие импульсы длительностью несколько сотен наносекунд, равной времени включения и выключения мощного полевого транзистора соответственно. Недостатками данного устройства являются сравнительно большое время включения и выключения мощного полевого транзистора, обусловленное малой амплитудой импульса управления, формируемого на вторичной обмотке управляющего трансформатора, и отсутствие защиты затвора мощного полевого транзистора от перегрузок по напряжению. Задача изобретения - уменьшение времени включения и выключения мощного полевого транзистора и защита затвора мощного полевого транзистора от перегрузок. Поставленная задача решается тем, что в устройство управления мощным полевым транзистором с изолированным затвором, содержащее две схемы коммутации, одна из которых служит для его включения, другая - для его выключения, каждая из схем коммутации содержит генератор пусковых импульсов, трансформатор, первый диод и переключающий транзистор, в каждую из схем коммутации дополнительно введены транзистор, управляющий электрод которого соединен через разделительный конденсатор с выходом генератора пусковых импульсов и через резистор смещения с его эмиттером и шиной заземления отдельного источника питания, коллектор - с первым выводом первичной обмотки трансформатора, второй диод, включенный между коллектором переключающего транзистора и затвором мощного полевого транзистора, и ферритовое кольцо, насаженное на проводящую трубку,подсоединенную параллельно вторичной обмотке трансформатора, при этом второй вывод первичной обмотки трансформатора подключен к анодной шине отдельного источника питания, первый вывод вторичной обмотки трансформатора соединен через первый диод с эмиттером переключающего транзистора, второй вывод вторичной 3 2938 1 обмотки трансформатора соединен с истоком мощного полевого транзистора и через ограничительный резистор с управляющим электродом переключающего транзистора, причем площадь сечения магнитопровода ферритового кольцаи амплитуда импульса напряжения 0 на вторичной обмотке трансформатора при отсутствии проводящей трубки с ферритовым кольцом определены из соотношений где- напряжение переключения ферритового кольца, принимаемое равным заданному уровню напряжения заряда входной емкости мощного полевого транзистора- время переключения ферритового кольца, равное времени заряда входной емкости до напряжения В - максимальное значение магнимтной индукции ферритового кольца при динамическом намагничивании ф - длительность фронта импульса на вторичной обмотке трансформатора. Для увеличения напряжения на вторичной обмотке трансформатора до значения 0 применен усилительный каскад на транзисторе, питаемый от отдельного источника питания, в коллекторную цепь которого включена первичная обмотка трансформатора. Диод, включенный между коллектором переключающего транзистора и затвором мощного полевого транзистора,препятствует разряду его входной емкости через переключающий транзистор. Ферритовое кольцо применено из марганец-цинкового феррита, обладающего высоким значением относительной диэлектрической проницаемости примерно равным 105. Изобретение поясняется чертежом (см. фиг.). На фигуре показано устройство управления мощным полевым транзистором 1, содержащее две схемы коммутации 2 и 3, обведенные пунктиром. Схема коммутации 2 служит для включения, схема 3 - для выключения мощного полевого транзистора 1. Схема коммутации 2 содержит генератор пусковых импульсов 4, выход которого соединен через разделительный конденсатор 5 с управляющим электродом транзистора 6,эмиттер которого соединен с шиной заземления, коллектор - с первичной обмоткой трансформатора 7, второй вывод первичной обмотки трансформатора 7 - с источником питания 8. Один вывод вторичной обмотки трансформатора 7 подсоединен через диод 9, переключающий транзистор 10 и диод 11 к затвору мощного полевого транзистора 1, второй вывод - к истоку мощного полевого транзистора 1 и через резистор 12 - к управляющему электроду переключающего транзистора 10, к обоим выводам вторичной обмотки трансформатора 7 подсоединен отрезок проводящей трубки 13 с насаженным на нее ферритовым кольцом 14, между базой транзистора 6 и шиной заземления включен резистор 15. Схема коммутации 3, служащая для выключения мощного полевого транзистора 1, содержит генератор пусковых импульсов 16, вырабатывающий инверсный сигнал относительно генератора 4, импульсы с выхода которого через разделительный конденсатор 17 поступают на управляющий электрод транзистора 18, в коллекторную цепь которого включена первичная обмотка трансформатора 19, один вывод вторичной обмотки трансформатора 19 подключен через диод 20,переключающий транзистор 21 и диод 22 к затвору мощного полевого транзистора 1, второй вывод вторичной обмотки трансформатора 19 подключен через резистор 23 к базе переключающего транзистора 21, к выводам вторичной обмотки трансформатора 19 подсоединена проводящая трубка 24, на которую насажено ферритовое кольцо 25, между базой транзистора 18 и шиной заземления включен резистор 26. Устройство работает следующим образом. Генератор пусковых импульсов 4 схемы коммутации 2 вырабатывает импульс положительной полярности, который через разделительный конденсатор 5 поступает на базу транзистора 6. При этом на первичной обмотке трансформатора 7 формируется импульс. Площадь сечениямагнитопровода сердечника трансформатора 7 при работе транзистора 6 в ключевом режиме определена из выражения где Е 0 - напряжение отдельного источника питания 8- длительность импульса, формируемого в первичной обмотке трансформатора 7- число витков первичной обмотки трансформатора 7 В - максимальное значение магнитной индукции сердечника трансформатора 7. В качестве сердечника трансформатора 7 применено также ферритовое кольцо из марганец-цинкового феррита. Импульс, формируемый на вторичной обмотке трансформатора 7 открывает переключающий транзистор 10, - при этом происходит заряд входной емкости мощного полевого транзистора 1 через диоды 9 и 11 и его включение. Одновременно с зарядом входной емкости мощного полевого транзистора 1 происходит переключение ферритового кольца 14, насаженного на проводящую трубку 13, шунтирующую выводы вторичной обмотки трансформатора 7. 4 2938 1 Ферритовые кольца, выполненные из марганец-цинкового феррита, обладают высоким значением относительной диэлектрической проницаемости, примерно равным 105. Поэтому в процессе переключения ферритового кольца напряженность магнитного поля, создаваемая током смещения, значительно превышает величину коэрцитивной силы. В режиме динамического намагничивания максимальное значение магнитной индукции для ферритовых колец из марганец-цинкового феррита может быть принято равным 0,1 Тл. Площадь сечения магнитопровода ферритового кольца 14 определялась из формулы (1) при заданных значениях напряженияна входной емкости мощного полевого транзистора 1 и времени ее заряда, причем падение напряжения на диодах 9, 11 и переключающем транзисторе 10 пренебрегалось, поскольку оно не превышало 10 от величины п. Амплитуда импульса 0 на вторичной обмотке трансформатора определяется из выражения (2) при известной длительности его фронта. При выбранном соотношении 11 числа витков трансформатора 7 напряжение Е 0 отдельного источника питания принималось равным напряжению 0, деленному на коэффициент связиобмоток трансформатора 7 (в трансформаторе на ферритовом кольце коэффициентобычно составляет величину не менее 0,9). При достижении напряжения на входной емкости мощного полевого транзистора 1 величины , происходит переключение ферритового кольца 14, вторичная обмотка трансформатора 7 закорачивается накоротко отрезком проводящей трубки 13, подключенной параллельно ее выводам. После этого ток во вторичной обмотке трансформатора 7(ток короткого замыкания) равен току в первичной обмотке, умноженному на коэффициент связи и на коэффициент трансформации обмоток (при оптимальном соотношении витков 11 коэффициент трансформации равен 1). После переключения ферритового кольца разряду входной емкости мощного полевого транзистора 1 через переход коллектор-база переключающего транзистора 10 препятствует диод 11. Диод 9 служит для защиты перехода эмиттер-база переключающего транзистора 10 от импульсов обратной полярности. В момент открытия транзистора 6 схемы включения 2 транзисторов 18 схемы выключения 3 заперт импульсом обратной полярности, формируемым генератором 16. Для выключения мощного полевого транзистора 1 импульс положительной полярности, формируемый пусковым генератором 16 через конденсатор 17 открывает транзистор 18. Импульс отрицательной полярности, формируемый на вторичной обмотке трансформатора 19, через диод 20, переключающий транзистор 21,диод 22 разряжает входную емкость мощного полевого транзистора 1 и приводит к его выключению. Причем напряжение перезаряда входной емкости мощного полевого транзистора не превышает по абсолютной величине . В дальнейшем схема работает аналогичным образом. Пусковые генераторы 4, 16 допускают работу как от внешнего, так и внутреннего запуска. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.