CS252267B1 - Zapojení spínače s vypínatelným výkonovým spínacím prvkem - Google Patents

Abstract

Rešení se týká zapojení spínače s vypínatelným výkonovým spínacím prvkem, jehož první elektroda je připojena na kladnou svorku zdroje stejnosměrného naěti a jehož druhá elektroda, která tvoí výstup spínače, je připojena na katodu nulové diody, jejíž anoda je připojena na zápornou svorku stejnosměrného napětí. Účelem zapojení je dosáhnout podstatného snížení výkonových ztrát, vznikajících na vypínatelném výkonovém spínacím prvku při jeho vypínání a vyloučení ztrát vlastního odlehčovacího obvodu. Uvedeného účelu se dosáhne zejména využitím rezonančního děje při nabíjení kondenzátorů, uspořádaných v odlehčovaclm dvoupólu spínače.

Description

Vynález se týká zapojení spínače s vypínátelným výkonovým spínacím prvkem, jehož první elektroda je připojena na kladnou svorku zdroje stejnosměrného napětí a jehož druhá elektroda, která tvoří výstup spínače, je připojena na katodu nulové diody, jejíž anoda je připojena na zápornou svorku zdroje stejnosměrného napětí·

Spínač s vypínatelným výkonovým spínacím prvkem slouží k pulsní regulaci elektrické energie ze zdroje stejnosměrného napětí do zátěže· Spínač je zapojen jako jednokvadrantový pulsní měnič, v němž vypínatelný výkonový spínací prvek, oěetřený odlehčovaoím obvodem, omezujícím výkonové ztráty při vypínání, je zapojen směrem, ke kladné svorce zdroje stejnosměrného napětí a nulová dioda je zapojena směrem k záporné svorce zdroje stejnosměrného napětí. Nepředpokládá se použití tohoto spínače ve dvoukvadrantových nebo čtyřkvadrantových pulsníoh měničích, kde by tento spínač musel spolupracovat se spínačem zrcadlově obráceným, u kterého je vzájemně zaměněna poloha vypínatelného výkonového spínacího prvku a nulové diody·

Při spínání a vypínání vypínatelného výkonového spínacího prvku, například alespoň jednoho bipolárního tranzistoru, unipolámího tranzistoru, nebo vypínatelného tyristoru typu GTO, dochází k jeho výkonovému přetěžování, způsobenému tím, že během vypínací i spínací doby se na vypínatelném výkonovém spínacím prvku objevuje současně velké napětí i velký proud·

U půleních měničů, zpracovávajících-velká napětí, řádově stovek voltů, a velké proudy, řádově desítek až stovek ampérů, vyvstávají tedy nutně problémy s výkonovou ztrátou na vypíná- 2 252 287 telném výkonovém spínacím prvku, pracujícím při vysokých přepínacích kmitočtech v oblasti jednotek až desítek kilohertzů· Vypínatelný výkonový spínací prvek mívá obvykle vypínací dobu delší než spínací dobu a navíc bývá účelné z hlediska jeho spo lehlivosti zajistit při vypnutí zánik proudu, tekoucího vypínat elným výkonovým spínacím prvkem, dříve, než napští na nšm dosáhne příliš velké hodnoty. Potom pro některé aplikaoe postačí ošetřit vypínatelný výkonový spínací prvek odlehčovacím obvodem, omezujícím výkonovou ztrátu pouze při vypínání. Tato snaha vedla ke konstrukci nejrůznéjších odlehčovací ch. obvodů ztrátových, obsahujících kondenzátory, cívky, odpory, diody, případné i aktivní polovodičové prvky, ve kterých je energie kondenzátorů a cívek mařena ve zmíněných odporech. Existují i bezeztrátové odlehčovací obvody, které však obsahují velký počet prvků, přičemž aktivní i pasivní polovodičové prvky jsou v nich extrémně namáhány, a konečně i doby, potřebné k navrácení odlehčovacího obvodu do výchozího stavu, bývají dlouhé.

U některých odlehčovacích obvodů, obsahujících více kondenzátorů, bývají tyto kondenzátory připojeny k vypínatelnámu výkonovému spínacímu prvku přes různý počet obvodových prvků a tím mají zákonitě v sérii za sebou připojeny rozdílné parazitní indukčností, které nedovolují rovnoměrné rozdělení nabíjecích proudů těchto kondenzátorů.

Výše uvedené nedostatky jsou odstraněny u zapojení spínače s vypínatelným výkonovým spínacím prvkem podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že na druhou elektrodu vypínatelného výkonového spínaoího prvku je připojen odlehčovaoí dvoupol svou první svorkou, který je svou druhou svorkou připojen na zápornou svorku zdroje stejnosměrného napětí.

Další podstata vynálezu spočívá v tom, že odlehčovací dvoupol je tvořen první diodou, jejíž katoda je připojena na anodu třetí diody, jejíž katoda je připojena přes cívku a s ní v sérii zapojený druhý kondenzátor na anodu první diody jejíž katoda je dále připojena přes první kondenzátor na katodu druhé diody, jejíž anoda je připojena na spoj mezi cívkou a druhým kondenzátorem, přičemž katoda druhé diody tvoří první

- 3 2S2 267 svorku odlehoovacího dvoupolu a anoda první diody tvoří druhou svorku odlehoovacího dvoupolu.

Ještě další podstata vynálezu spočívá v tom, že odlehčovací dvoupól je tvořen první diodou, jejíž katoda je připojena na anodu třetí diody, jejíž katoda je připojena přes cívku a s ní v sérii zapojený druhý kondenzátor na anodu první diody, jejíž katoda je dále připojena přes první kondenzátor na katodu druhé diody, jejíž anoda je připojena na spoj mezi cívkou a druhým kondenzátorem a jejíž katoda je dále připojena přes odpor na katodu čtvrté diody, jejíž anoda je připojena na katodu třetí diody, přičemž katoda druhé diody tvoří první svorku odlehčovaoího dvoupolu a anoda první diody tvoří druhou svorku odlehčovacího dvoupolu.

Ještě další podstata vynálezu pak spočívá v tom, že odlehčovací dvoupól je tvořen první diodou, jejíž katoda je připojena přes cívku na anodu třetí diody, jejíž katoda je připojena přes druhý kondenzátor na anodu první diody, ke které je dále připojena anoda čtvrté diody, jejíž katoda je připojena přes odpor na anodu třetí diody, jejíž katoda je dále připojena na anodu druhé diody, jejíž katoda je připojena přes první kondenzátor na katodu první diody, přičemž katoda druhé diody tvoří první svorku odlehčovacího dvoupolu a anoda první diody tvoří druhou svorku odlehčovacího dvoupolu.

U řešení zapojení podle vynálezu je spínač s vypínatelným výkonovým spínacím prvkem vybaven bezeztrátovým odlehčovacím dvoupólem, který omezuje výkonové ztráty ve vypínatelném výkonovém spínacím prvku při jeho vypínání. Výhodou rovněž je, že při vypínání vypínatelného výkonového spínacího prvku proud zátěže přestává protékat tímto prvkem a začíná protékat prvním kondenzátorem přes první diodu a druhým kondenzátorem přes druhou diodu odlehčovacího dvoupolu směrem ze záporné svorky zdroje stejnosměrného napětí. První kondenzátor i druhý kondenzátor mají stejně velkou kapacitu a proud zátěže se tedy rozdělí rovnoměrně na dvě poloviny, protože protéká vždy přes shodný počet prvků, které prakticky mají i stejnou parazitní indukčnost. Za významnou výhodu lze pokládat i skutečnost,

- 4 252 267 že při vypnutí vypínatelného výkonového spínacího prvku pracují vlastně první kondenzátor i druhý kondenzátor paralelná, kdy je jejich efektivní kapacita dvojnásobná, a naopak při sep nutí vypínatelného výkonového spínacího prvku dochází k nabíjení těchto kondenzátorů sinusovým rezonančním proudovým půlkmitem přes třeti diodu a cívku tak, že první kondenzátor i druhý kondenzátor jsou zapojeny v sérii a jejich efektivní kapacita je proto poloviční oproti kapacitě každého jednotlivého kondenzátorů· Výsledkem je velmi výhodný poměr efektivní kapacity při vypnutí vypínatelného výkonového spínacího prvku vůči efektivní kapacitě při sepnutí vypínatelného výkonového spínacího prvku o velikosti čtyři ku jedné, čímž je minimalizována amplituda sinusového rezonančního proudového půlkmitu· Proto i přídavné proudové namáhání vypínatelného výkonového spínacího prvku tímto sinusovým rezonančním proudovým půlkmitem je malé· Další výhodou zapojení podle vynálezu je případné použití čtvrté diody a odporu v odlehčovacím dvoupólu, které zajistí zmaření energie, nashromážděné v cívce vlivem zotavovacího proudu třetí diody při skončení sinusového rezonančního proudového půlkmitu· Tím je chráněna třetí dioda, ve které by jinak byla tato energie mařena· Vzhledem k tomu, že zotavovací proud třetí diody je však řádově menší, než amplituda sinusového rezonančního proudového půlkmitu, je i parazitní energie oívky, způsobené tímto zotavovacím proudem tak malá, že nenarušuje princip bezeztrátovosti odlehčovaoího dvoupólu·

Na připojenýoh výkresech jsou znázorněny příklady provedení spínače s vypínatelným výkonovým spínaoím prvkem v zapojení podle vynálezu, přičemž obr· 1 ukazuje celkové zapojení spínače, na obr· 2 je znázorněna ^kladní varianta zapojení odlehčovaoího dvoupólu, obr* 3 představuje upravenou variantu zapojení odlehčovaoího dvoupólu a obr· 4 znázorňuje jinou možnou variantů zapojení odlehčovaoího dvoupólu·

Spínač v zapojení podle vynálezu je tvořen vypínatelným výkonovým spínaoím prvkem £, jehož první elektroda £ je připojena na kladnou svorku 2 zdroje £ stejnosměrného napětí U-g,

Tento vypínatelný výkonový spínací prvek £ může být představo- 5 252 267 ván například alespoň jedním bipolárním tranzistorem typu NPN, jak je vyznačeno na obr· 1, ale mohou jím být jakékoliv jiné výkonové spínací prvky, vypínatelné řídicím signálem, jako například i bipolární tranzistory typu PNP, unipolární tranzistory, jejioh paralelní řazení, jejich kombinace v Darlingtonové zapojení, vypínatelné tyristory typu GTO, případně i mechanické kontaktní spínače a podobně· Druhá elektroda 6 vypínat elného výkonového spínacího prvku J.» která zároveň tvoří výstup 8 spínače, je připojena na katodu nulové diody £, jež je pak svou anodou připojena na zápornou svorku g zdroje J. stejnosměrného napětí U_£· Na zápornou svorku g zdroje J, stejnosměrného napětí U-g je~současně připojen i odlehčovaoí dvoupól g svou druhou svorkou 11· který je svou první svorkou 10 připojen na druhou elektrodu jS vypínatelného výkonového spínacího prvku Jb· Tento odlehčovaoí dvoupól g je v základní variantě zapojení, znázorněné na obr· 2, tvořen první diodou 12. která je svou katodou připojena na anodu třetí diody 14· Třetí dioda 14 je svou katodou připojena přes cívku 18 a s ní v sérii zapojený druhý kondenzátor 17 na anodu první diody 12. která je svou katodou dále připojena přes první kondenzátor 16 na katodu druhé diody 22· Druhá dioda 13 je potom svou anodou připojena na spoj mezi cívkou 18 a druhým kondenzátorem 17·

U této základní varianty zapojení odlehčovacího dvoupólu g představuje katoda druhé diody 13 první svorku 10 odlehčovacího dvoupólu g a anoda první diody 12 druhou svorku 11 odlehčovaoího dvoupólu g·

U upravené varianty zapojení odlehčovacího dvoupólu 9, vyznačené na obr· 3» je tento odlehčovaoí dvoupól g tvořen první diodou 12. která je svou katodou připojena na anodu třetí diody 14» ®řetí dioda 14 je svou katodou připojena přes eívku 18 a s ní v sérii zapojený druhý kondenzátor 17 na anodu první diody 12. která je svou katodou dále připojena přes první kondenzátor 16 na katodu druhé diody 13·

Druhá dioda 13 je svou anodou připojena na spoj mezi cívkou 18 a druhým kondenzátorem 17 a svou katodou je dále připojena přes odpor 19 na katodu čtvrté diody 15» Čtvrtá dioda 15

- 6 252 267 je potom svou anodou připojena na katodu třetí diody 14» Analogicky jako u základní varianty zapojení odlehčovacího dvoupólu 2 představuje i zde katoda druhé diody 13 první svorku JO, odlehčovacího dvoupolu 2 a anoda první diody 12 druhou svorku 11 odlehčovacího dvoupolu 2·

U jiné možné upravené varianty zapojení odlehčovacího dvoupolu 2 vyznačené na obr· 4» je tento odlehčovaoí dvoupól 2 tvořen první diodou 12. která je svou katodou připojena přes cívku 18 na anodu třetí diody 14» Třetí dioda 14 je svou katodou připojena přes druhý kondenzátor 17 na anodu první diody 12. ke které je dále připojena i anoda čtvrté diody 15« Čtvrtá dioda 15 je svou katodou připojena přes odpor 19 na anodu druhé diody 13. která je svou katodou připojena přes první kondenzátor 16 na katodu první diody 12. Analogicky jako u předchozích variant zapojení odlehčovaoího dvoupolu 2 představuje i zde katoda druhé diody 13 první svorku 10 odlehčovacího dvoupolu 2 a anoda první diody 12 druhou svorku 11 odlehčovacího dvoupolu 2·

Princip činnosti spínače s vypínatelnýra výkonovým spínacím prvkem 4 v zapojení podle vynálezu je následující·

Předpokládá se, že v zapojení spínače s vypínatelným výkonovým spínacím prvkem 4 je užit odlehčovaoí dvoupól 2 v jebo základní variantě zapojení, vyznačené na obr· 2· Bále se předpokládá, že zdroj J, stejnosměrného napětí Ug má schopnost energii v sobě též akumulovat a že zátěž spínače raSodporově induktivní charakter s případným v sérii zapojeným zdrojem proměnného napětí·

Za výchozí situaci se považuje stav, kdy vypínatelný výkonový spínací prvek 4 je sepnut a proud ig zátěže protéká naznačeným směrem z kladné svorky 2 zdroje^J stejnosměrného napětí Ug přes sepnutý vypínatelný výkonový spínací prvek Q na výstup 8 spínače· První kondenzátor 16 odlehčovacího dvoupolu £ je nabit na napětí Ug v takové polaritě, že jeho kladná elektroda je spojena s první svorkou 10 odlehčovacího dvoupolu 2 a druhý kondenzátor 17 je nabit rovněž na napětí o velikosti

- 7 252 287 napětí Ug v takové polaritě, že jeho kladná elektroda je připojena na anodu druhé diody 13· Třetí dioda 14 je tedy v tomto okamžiku polována napětím o velikosti napětí Ug v závěrném směru. První kondenzátor 16 a druhý kondenzátor 17 mají oba stejně velkou kapacitu a' v okamžiku vypnutí vypínatelného výkonového spínacího prvku ± se tedy proud ig zátěže rozdělí na dvě poloviny, z nichž jedna vybíjí prvni kondenzátor 16 přes první diodu 12 a druhá vybíjí druhý kondenzátor 17 přes druhou diodu 13 z původního napětí Ug na nulové napětí· V okamžiku vypnutí vypínatelného výkonov?Ěo spínacího prvku 4 převezmou tedy první kondenzátor 16 i druhý kondenzátor 17 celý proud ig zátěže a to až do okamžiku, kdy se zcela vybijí na nu lové napětí a vedení proudu ig zátěže převezme nulová dioda 2· Budou-li mít první kondenzátor 16 i druhý kondenzátor 17 dosta tečně velkou kapacitu vzhledem k proudu ig zátěže a k délce vypínací doby vypínatelného výkonového spínacího prvku 4, pak lze pomocí nich zajistit, že proud ig zátěže, tekoucí vypínátelným výkonovým spínacím prvkem “zanikne při jeho vypnutí dříve, než napětí na něm vzroste na příliš velkou hodnotu·

Tím budou velmi výrazně omezeny výkonové ztráty na vypínatelnéra výkonovém spínacím prvku & při jeho vypínání· První kondenzátor 16 i druhý kondenzátor 17 zůstávají vybity po celou dobu, kdy je vypnut vypínatelný výkonový spínací prvek K jejich novému nabiti na napětí o velikosti napětí Ug dojde v okamžiku opětného sepnutí vypínatelného výkonového~spínaoího prvku 4 následujícím způsobem· První dioda 12 a druhá dioda 13 jsou polovány v závěrném směru napětího velikosti napětí Ug a v dalším ději se neuplatní· Vypínatelný výkonový spínacíTprvek A sepnutím způsobí připojení sériového rezonančního obvodu, tvořeného prvním kondenzátorem 16« třetí diodou 14« cívkou 18 a .druhým kondenzátorem 17 na zdroj J. atej nosměrného napětí Ug· Tímto sériovým rezonančním obvodem proteče sinusový rezonanční proudový půlkmit, po jehož ukončení budou první kondenzátor 16 i druhý kondenzátor 17 nabity na na· pěti o velikosti napětí Ug, nebot během rezonančního děje jsou první kondenzátor 16 i druhý kondenzátor 17 zapojeny v sérii

- 8 252 267 a mají stejnou velikost kapacity. Třetí dioda 14 ukončuje rezonanční dšj právě v jeho půlperiodě a nedovoluje změnu směru toku proudu v sériovém rezonančním obvodu. První kondenzátor 1,6 i druhý kondenzátor 17 zůstávají nabity na napětí o velikosti napětí U_B a jsou připraveny k novému cyklu.

Vzhledem k tomu, že reálná třetí dioda 14 má vždy určitou konečnou dobu zotavení v závěrném směru, dovolí během této doby protékání proudu v závěrném směru. V okamžiku jejího zotavení a uzavření je však v cívce 18 akumulována určitá energie, způsobená špičkovou hodnotou zotavovacího proudu třetí diody 14· Pokud nemá dojít k maření této, byť i malé, energie ve třetí diodě 14 a pokud se má současně zabránit jejímu přídavnému napěťovému namáhání, pak místo odlehčovacího dvoupólu 2 v jeho základní variantě zapojení podle obr. 2, lze použít buď upravené varianty zapojení odlehčovacího dvoupólu 2 podle obr. 3» popřípadě jiné možné upravené varianty zapojení odlehčovacího dvoupólu 2 poůle obr. 4. Funkce těchto odlehčovacích dvoupólů 2 je zcela shodná, jsou však navíc vybaveny čtvrtou diodou 15 a odporem 19. v němž dochází ke zmaření energie, nashromážděné v cívce 18 a způsobené zotavovacím proudem třetí diody 14.

U upravené varianty zapojení odlehčovacího dvoupólu 2 podle obr. 3 dochází k demagnetizaoi cívky 18 tak, že proud protéká cestou od druhé svorky 11 odlehčovaoího dvoupolu 2 přes druhý kondenzátor 17. cívku 18. čtvrtou diodu 15 a odpor 19 na první svorku 10 odlehčovacího dvoupólu 2· ^u jiné možné upravené varianty zapojení odlehčovaoího dvoupólu £ podle obr. 4 dochází k demagnetizaoi cívky 18 tak, že proud protéká cestou od druhé svorky 11 odlehčovacího dvoupólu 2 přes čtvrtou diodu 15. odpor 22, cívku 18 a první kondenzátor 16 na první svorku 10 odlehčovaoího dvoupólu 2· Vzhledem k tomu, Že špička zotavovacího proudu třetí diody 14 je však řádově menší, než amplituda sinusového rezonančního proudového půlkmitu, je energie, mařená v odporu 22» přibližně o dva řády menší, než energie, soustředěná v prvním kondenzátoru 16 a druhém kondenzátoru 17. oož ve svém důsledku znamená, že použití odporu 19 nenarušuje princip bezeztrátovosti odlehčovacího dvoupólu 2·

- 9 252 267

Vypínatelný výkonový spínací prvek £ je sice při sepnutí přídavně proudově namáhán sinusovým rezonančním proudovým půlkmitem, ale vzhledem k tomu, že v době trvání sinusového rezonančního proudového půlkmitu jsou první kondenzátor 16 a druhý kondenzátor 17 zapojeny v sérii, kdy je jejich efektivní kapacita poloviční, přičemž v době vypínání vypínatelného výkonového spínacího prvku £ pracují první kondenzátor 16 a druhý kondenzátor 17 paralelně, kdy je jejich efektivní kapacita dvojnásobná, je pak poměr jejich efektivních kapacit při vybíjení vůči nabíjení čtyři ku jedné, což zajišťuje minimalizaci amplitudy a doby trvání sinusového rezonančního proudového půlkmitu· Proto je přídavné proudové namáhání vypínatelného výkonového spínacího prvku 4 v zapojení spínače podle vynálezu velmi malé i při krátké době trvání sinusového rezonančního proudového půlkmitu· Krátká doba trvání sinusového rezonančního proudového půlkmitu je důležitá i z toho hlediska, že určuje minimální potřebnou dobu sepnutí vypínatelného výkonového spínaoího prvku 4.

Claims (4)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   252 267

   1. Zapojeni spínače s vypínatelným výkonovým spínacím prvkem, jehož první elektroda je připojena na kladnou svorku zdroje stejnosměrného napětí a jehož druhá elektroda, která tvoří výstup spínače, je připojena na katodu nulové diody, jejíž anoda.je připojena na zápornou svorku zdroje stejnosměrného napětí, vyznačující se tím, že na druhou elektrodu (6) vypínatelného výkonového spínacího prvku (4) je připojen odlehčovácí dvoupól (9) svou první svorkou (10), který je svou druhou svorkou (11) připojen na zápornou svorku (3) zdroje (1) stejnosměrného napětí (Ug)·
2. 2· Zapojení podle bodu 1, vyznačující se tím, že odlehčovácí dvoupól (9) je tvořen první diodou (12), jejíž katoda je připojena na anodu třetí diody (14), jejíž katoda je připojena přes cívku (18) as ní v sérii zapojený druhý kondenzátor (17) ua anodu první diody (12), jejíž katoda je dále připojena přes první kondenzátor (16) na katodu druhé diody (13)· jejíž anoda je připojena na spoj mezi cívkou (18) a druhým kondenzátorem (17), přičemž katoda druhé diody (13) tvoří první svorku (10) odlehčovacího dvoupólu (9) a anoda první diody (12) tvoří druhou svorku (11) odlehčovácího dvoupólu (9)·
3. 3· Zapojení podle bodu 1, vyznačující se tím, že odlehčovácí dvoupól (9) je tvořen první diodou (12), jejíž katoda je připojena na anodu třetí diody (14), jejíž katoda je připojena přes cívku (18) a s ní v sérii zapojený druhý kondenzátor (17) na anodu první diody (12), jejíž katoda je dále připojena přes první kondenzátor (16) na katodu druhé diody (13)· jejíž anoda je připojena na spoj mezi cívkou (18) a druhým kondenzátorem (17) a jejíž katoda je dále připojena přes odpor (19) na katodu čtvrté diody (15)» jejíž anoda je připojena na katodu třetí diody (14)· přičemž katoda druhé diody (13) tvoří první svorku (10) odlehčovacího dvoupólu (9) a anoda první diody (12) tvoří druhou svorku (11) odlehčovacího dvoupólu (9)·

   11 252 267
4. 4· Zapojení podle bodu 1, vyznačující se tím, že odlehčovací dvoupól (9) je tvořen první diodou (12), jejíž katoda je připojena přes cívku (18) na anodu třetí diody (14)» jejíž katoda je připojena přes druhý kondenzátor (17) na anodu první diody (12), ke které je dále připojena anoda čtvrté diody (15)» jejíž katoda je připojena přes odpor (19) na anodu třetí diody (14)» jejíž katoda je dále připojena na anodu druhé diody (13)» jejíž katoda je připojena přes první kondenzátor (16) na katodu první diody (12), přičemž katoda druhé diody (13) tvoří první svorku (10) odlehčovacího dvoupolu (9) a anoda první diody (12) tvoří druhou svorku (11) odlehčpvacího dvoupolu (9)·