202689. lajstromszámú szabadalom • Kapcsolási elrendezés egyenfeszültség nagyfrekvenciás kapcsolására
1 HU 202689 B A találmány tárgya kapcsolási elrendezés egyenfeszültség nagyfrekvenciás kapcsolására hagyományos félvezetők révén, BiMOS kapcsolási elrendezéssel megvalósítható műszaki előnyök megtartásával. Ismeretes, hogy a bipoláris teljesítménykapcsoló tranzisztorokat hagyományosan közös emitterű kapcsolásban működtetik, amelyben a működtető jel a kapcsolótranzisztor emittere és bázisa közé kétpontosán csatlakozik, a kapcsolt áram pedig a meghajtó aktív alkatrészeken nem folyik keresztül. Az ilyen típusú meghajtó áramkörök tervezése minden esetben összetett, igényes feladat, amely tranzisztortípusonként ismétlődik és olyan alkalmazásoknál, amelyekben a kapcsolt áram üzemszerűen tág tartományban - például 10:1 arányban - változhat, csak súlyos kompromisszum árán oldható meg. Az ismert, széles körben fejlesztett, különböző „smart drive” (intelligens meghajtó) áramkörök sokasága önmagában is jelzi, hogy a bázisáram-idő függvény önmagában csak valamely adott kapcsolt áramhoz optimalizálható, erősen ingadozó terhelőáram esetén pedig az adaptív meghajtás magasabb üzemi frekvencia (például >10 kHz) eléréséhez gyakorlatilag nélkülözhetetlen. Az ilyen jellegű meghajtásoknál elengedhetetlen a kapcsolt kollektorárammal összemérhető csúcsértékű kikapcsoló negatív bázisáram impulzus és a kikapcsolásnál 10-6 s körüli, vagy ennek többszörösét is kitevő késleltetés jelentkezik. Teljesítménykapcsoló bipoláris tranzisztorok meghajtásának ismert alternatív módja az ún. BiMOS kapcsolási elrendezés, amelynél a működtető jel egy kisfeszültségű MOSFET teljesítménytranzisztor source-gate kapcsaira kétpontosán csatlakozik, a meghajtó bipoláris teljesítménykapcsoló tranzisztor emitterével ugyanezen MOSFET teljesítménytranzisztor drain kapcsára csatlakozik, a kapcsolt áram pedig mindkét - meghajtó MOSFET, illetve meghajtott bipoláris - teljesítménytranzisztoron át folyik. A BiMOS kapcsolási elrendezés ezenkívül szükségszerűen tartalmaz egy további, általában passzív, kiegészítő áramkört, amely két kapcsával a bipoláris teljesítménytranzisztor bázisára, illetve a MOSFET teljesítménytranzisztor source kapcsára csatlakozik és emellett általában további kapcsa(i) is van(nak). Ilyen BiMOS kapcsolási elrendezésket ismertet például a 4 651 035, valamint a 4 746 814 lajstromszámú US szabadalmi leírás is, amelyek a meghajtott tranzisztor bázisa és a meghajtó oldal közé csatlakozó kiegészítő áramkör előnyös kialakításával foglalkoznak. A kapcsolótranzisztor előzőekben ismertetett ismert meghajtásának előnye, hogy közös bázisú (illetve módosított közös emitterű) kapcsolásban nagyobb működési sebesség érhető el. A kikapcsolási késleltetés a töredékére csökken és általában csökkenthető a kikapcsolási veszteséget meghatározó átmeneti időszak - az ún. fall time - is. További előnyként jelentkezik a működtetéshez szükséges áramcsúcsok csökkenése a MOSFET által igényelt szintre, amely általában 1 A alatti értékeket jelent. Az ismert megoldás hátránya a MOSFET teljesítménytranzisztorok viszonylag magasabb ára, valamint az, hogy a MOSFET nagyobb lapkamérete következtében korlátot szab a miniatürizálási törekvéseknek. Magyarországon ráadásul az ezekhez való korlátozott hozzáférhetőségi lehetőség, az import miatt, további gondokat jelent. A találmány célja olyan megoldás létrehozása, amellyel biztosítható a minitürizálás és amellyel az ismert megoldások hátrányai kiküszöbölhetők. A találmány további célja, hogy a kapcsolási elrendezés hagyományos fél vezetők révén megvalósítható legyen. Felismertük, hogy a BiMOS kapcsolási elrendezés műszaki előnyei hagyományos félvezető eszközökkel is elérhetők, azok megfelelő kapcsolása esetén. Kísérleteink során rájöttünk arra, hogy közös kollektorú kapcsolásban a kisfrekvenciás tranzisztorok is alkalmasak a MOSFET teljesítménytranzisztorokéval egyenértékű működési sebesség elérésére, szokványos értékű - 20-200 - statikus áramerősítés mellett. Az így elérhető áramerősítés következtében a fokozat már általános célú, kis teljesítményű kapcsolótranzisztorral, például 2N2219A, meghajtható. Felismertük, hogy a MOSFET ismert teljesítménytranzisztor drain kapcsa helyére meghajtó tranzisztor emitterét, a MOSFET source kapcsa helyére meghajtó tranzisztor kollektorát, a MOSFET gate kapcsa helyére pedig a meghajtó tranzisztor bázisára kollektorával csatlakozó, általános célú tranzisztor bázisát kötjük, abban az esetben a találmány elé kitűzött cél elérhető. A főáram útjában két sorbakötött meghajtott, illetve meghajtó bipoláris tranzisztort tartalmazó kapcsolóáramkört a 4 746 814 lajstromszámú US szabadalmi leírás is említ 3. igénypontjában. Az ismert megoldás szerint azonban a kapcsolót működtető vezérlőjel közvetlenül a meghajtó tranzisztor vezérlő elektródjára csatlakozik, ahol a szükséges meghajtó teljesítmény összemérhető a meghajtott tranzisztor közös emitterű kapcsolásbeli meghajtásához szükséges teljesítménynyel. Rájöttünk arra, hogy ha az ismert megoldástól eltérően a meghajtott tranzisztorral ellentétes - pnp - polaritású meghajtó tranzisztort alkalmazunk, és e két tranzisztort a főáram útjában emitterével csatlakoztatjuk egymáshoz, akkor lehetőség van a kapcsolási elrendezésnek egy harmadik tranzisztorral történő előnyös bővítésére, amely a meghajtott tranzisztorral egyező polaritású és a meghajtó tranzisztor bázisára kollektorával csatlakozik és azt közös kollektorú kapcsolásban vezérli. Találmányunk értelmében ez a kapcsolási elrendezés biztosítja a bipoláris meghajtó tranzisztor maximális kapcsolási sebességét a harmadik tranzisztor áramerősítése arányában lecsökkented meghajtó teljesítmény felhasználása mellett. A találmány szerinti kapcsolási elrendezéssel az ismert BiMOS kapcsolási elrendezések által biztosított előnyök hagyományos félvezető alkalmazásával olymódon érhetők el, hogy az optimális kapcsolási sebesség eléréséhez szükséges dinamikus működtető jelteljesítmény igény csökken. Felismerésünk tévén az általunk alkalmazott meghajtó, valamint további harmadik tranzisztor kedvező dinamikus üzemi jellemzői biztosítják az előzőekben ismertetetteket. Közismert ugyanis, hogy a BiMOS kapcsolási elrendezésekben használatos MOSFET teljesítménytranzisztorok jelentős belső kapacitással rendelkeznek. Kísérleteket végeztünk továbbá, amelyeknek során a fenti felismerésen túlmenően az alábbi, további megállapítások tehetők: mely szerint az általános célú tranzisztor emittere közös potenciálra hozható a meghajtó tranzisztor kollektorával, de attól valamilyen áramköri elemmel el is választható; a meghajtó tran5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 3
