CS254062B1 - Zapojení spínače s vypínatelným výkonovým spínacím prvkem - Google Patents

Abstract

Seáení se týká zapojení spínače s vypínatelným výkonovým spínacím prvkem, jehož první elektroda je připojena na zápornou svorku zdroje stejnosměrného napětí a jehož druhá elektroda, které tvoří výstup spínače, je připojena na anodu nulové diody, jejíž katoda je připojena na kladnou svorku zdroje stejnosměrného napětí. Účelem zapojení je podstatně snížit výkonové ztráty, vznikající na vypínatelném výkonovém spínacím prvku při jeho vypínání a vyloučit ztráty vlastního odlehčovácího obvodu. Uvedeného účelu se dosáhne zejména využitím rezonančního děje při nabíjení kondenzá- torů, uspořádaných v odlehčovacím dvou- pólu spínače.

Description

Vynález se týká zapojení spínače s vypínatelnýra výkonovým spínacím prvkem, jehož první elektroda je připojena na zápornou svorku zdroje stejnosměrného napětí a jehož druhá elektroda, která tvoří výstup spínače, je připojena na anodu nulové diody, jejíž katoda je připojena na kladnou svorku zdroje stejnosměrného napětí.

Spínač s vypínatelnýra výkonovým spínacím prvkem slouží k pulsní regulaci elektrické energie ze zdroje stejnosměrného napětí do zátěže. Tento spínač je zapojen jako jednokvadrantový pulsní měnič, v němž vypínatelný výkonový spínací prvek, ošetřený odlehčovacím obvodem, omezujícím výkonové ztráty při vypínání, je zapojen směrem k záporné svorce zdroje stejnosměrného napětí a nulová dioda odlehčovacího obvodu je zapojena směrem ke kladné svorce zdroje stejnosměrného napětí.

Při spínání a vypínání vypínatelného výkonového spínacího prvku, například bipolámího a unipolámího výkonového tranzistoru nebo vypínatelného tyristoru typu GTO, dochází k jeho výkonovému přetěžování, způsobeného 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 vypínatelném výkonovém spínacím prvku, pracujícím při vysokých přepínacích kmitočtech v oblasti jednotek až desítek kilohertzů. Vypínátelný výkonový spínací prvek mívá obvykle vypínací dobu delší než spínací dobu a navíc bývá účelné z hlediska jeho spolehlivosti zajistit při vypnutí zánik

234 062 proudu, tekoucího vypínatelným výkonovým spínacím prvkem, dříve, než napětí na něm dosáhne příliš velké hodnoty. Potom pro některé aplikace postaěí opatřit vypínatelný výkonový spínací prvek odlehčovacím obvodem, omezujícím výkonovou ztrátu pouze při jeho vypínání. Tato snaha vedla ke konstrukci nejrůznějších odlehčovacích obvodů ztrátových, obsahujících kondenzátory, cívky, odpory, diody, případně i aktivní polovodičové prvky, ve kterých je energie kondenzátorů a cívek mařena ve zmíněných odporech. Jsou známy i bezeztrátové odlehčovací obvody, které však obsahují velký počet prvků a u kterých jsou aktivní i pasivní polovodičové prvky 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 vypínatelnému výkonovému spínacímu prvku přes různý počet obvodových prvků,a tím mají zákonitě v sérii za sebou připojeny rozdílné parazitní indukčnost!, 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 spínacího prvku je připojen odlehčovací dvoupol svou první svorkou, který je svou druhou svorkou připojen na kladnou 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 připojena přes první kondenzátor na katodu druhé diody, jejíž anoda je připojena na spoj mezi cívkou a druhým kondenzátorem, přičemž anoda první diody tvoří první svorku odlehčovacího dvoupolu a katoda druhé diody tvoří druhou svorku odlehčovacího dvoupolu.

Ještě 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

- 3 — '54 062

a.e ní V sérii zapojený druhý kondenzátor na anodu první diody, jejíž katoda je 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 anoda první diody tvoří první svorku odlehčovacího dvoupolu a katoda druhé 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 připojena na anodu druhé diody, jejíž katoda je připojena přes první kondenzátor na katodu první diody, přičemž anoda první diody tvoří první svorku odlehčovacího dvoupolu a katoda druhé diody tvoří druhou svorku odlehčovacího dvoupolu,

U řešení zapojení podle vynálezu je spínač s vypínatelným výkonovým spínacím prvkem vybaven odlehčovacím dvoupólem, který je sám o sobě bezeztrátový a významně omezuje ztráty na vypínatelném výkonovém spínacím prvku při jeho vypínání. Výhodou rovněž je, že při vypínání vypínatelného výkonového spínacího prvku přestává proud zátěže téci tímto vypínatelným výkonovým spínacím prvkem a začíná protékat prvním kondenzátorem přes první diodu a druhým kondenzátorem přes druhou diodu do kladné svorky zdroje stejnosměrného napětí. První kondenzátor i druhý kondenzátor mají stejně velkou kapacitu a protože proud protéká přes odlehčovací dvoupól dvěma elektricky i prostorově shodnými paralelními cestami, vždy přes shodný počet prvků, které prakticky mají i stejnou parazitní indukčnost, je jeho rozdělení při průtoku prvním kondenzátorem a druhým kondenzátorem rovnoměrné. Za velkou výhodu lze rovněž považovat i skutečnost, že při vypnutí vypínatelného výkonového spínacího prvku pracují vlastně první kondenzátor i druhý kondenzátor paralelně, tudíž je jejich efektivní kapacita dvojnásobná a naopak při sepnutí

- 4 254 062 vypínáteIného výkonového spínacího prvku dochází k nabíjení těchto kondenzátorů sinusovým rezonančním proudovým půlkmitem přes třetí diodu a cívku tak, že první kondenzátor i druhý kondenzátor jsou zapojeny v sérii a jejich výsledná kapacita je tedy poloviční oproti kapacitě každého jednotlivého kondenzátoru. Výsledkem je velmi výhodný poměr efektivní kapacity při vypnutí vůči efektivní kapacitě při sepnutí o velikosti čtyři ku jedné a tudíž je minimalizována amplituda sinusového rezonančního proudového půlkmitu při zachování krátké doby tohoto půlkmitu. Proto i přídavné proudové namáhání vypínat elného výkonového spínacího prvku tímto sinusovým rezonančním proudovým půlkmitem je malé. Další, výhodou zapojení spínače podle vynálezu je případné použití čtvrté diody a odporu v odlehčovacím dvoupolu, které zajistí zmaření energie, nashromážděné v cívce vlivem zotavovacího proudu třetí diody při ukončení 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 cívky, způsobená tímto proudem, tak malá, že přítomnost odporu nenarušuje princip bezeztrátovosti odlehčovacího dvoupolu.

Na připojených výkresech jsou znázorněny příklady provedení spínače s vypínatelným výkonovým spínacím prvkem v zapojení podle vynálezu, přičemž na obr. 1 je znázorněno celkové zapojení spínače, obr. 2 ukazuje základní variantu zapojení odlehčovacího dvoupolu, obr. 3 znázorňuje upravenou variantu zapojení odlehčovacího dvoupolu a obr. 4 představuje jinou možnou upravenou variantu zapojení odlehčovacího dvoupolu.

Spínač v zapojení podle vynálezu je tvořen vypínatelným výkonovým spínacím prvkem 17. jehož první elektroda 18 je připojena na zápornou svorku 14 zdroje 12 stejnosměrného napětí Ug. Tento vypínatelný výkonový spínací prvek 17 může být představován například alespoň jedním bipolárním tranzistorem typu NPN, jak je vyznačeno na obr. 1 nebo jím mohou být jakékoliv jiné výkonové spínací prvky, vypínané řídicím signálem, jako napři- 5 254 D62 klad bipolární tranzistory typu PNP, unipolámí tranzistory, jejich paralelní řazení nebo jejich kombinace v Darlingtonově zapojení, vypínátelné tyristory typu GTO, popřípadě i mechanické kontaktní spínače a podobně. Druhá elektroda 19 vypínatelného výkonového spínacího prvku 17. která současně představuje výstup 15 spínače, je připojena na anodu nulové diody £6, která je pak svou katodou připojena na kladnou svorku 13 zdroje 12 stejnosměrného napětí Ug. Jak je dále patrno podle obr. 1, je na druhou elektrodu 19 vypínatelného výkonového spínacího prvku 17 připojen svou první svorkou £ odlehčovací dvoupól £, který je svou druhou svorkou 2 připojen na kladnou svorku 13 zdroje 12 stejnosměrného napětí υ_β, V základní variantě zapojení odlehčovacího dvoupólu £, znázorněné na obr. 2, je tento odlehčovací dvoupól 2 tvořen první diodou 4, která je svou katodou připojena na anodu třetí diody 8. Třetí dioda 8 je svou katodou připojena přes cívku 9. a s ní v sérii zapojený druhý kondenzátor 6 na anodu první diody 4, která je svou katodou připojena přes první kondenzátor £ na katodu druhé diody 7.

Druhá dioda 7 je pak svou anodou připojena na spoj mezi cívkou 9 a druhým kondenzátořem 6. U této základní varianty zapojení odlehčovacího dvoupólu £ představuje anoda první diody 4 první svorku £ odlehčovacího dvoupólu £ a katoda druhé diody 7 druhou svorku £ odlehčovacího dvoupólu £.

U upravené varianty zapojení odlehčovacího dvoupólu £, znázorněné na obr. 3» je tento odlehčovací dvoupol £ tvořen první diodou 4, která je svou katodou připojena na anodu třetí diody 8. Třetí dioda 8 je svou katodou připojena přes cívku £ a s ní v sérii zapojený druhý kondenzátor 6 na anodu první diody 4, která je svou katodou rovněž připojena přes první kondenzátor 5 na katodu druhé diody 7. Druhá dioda 7 je připojena svou anodou na spoj mezi cívkou 9. a druhým kondenzátorem 6, přičemž svou katodou je rovněž připojena přes odpor 11 na katodu čtvrté diody £0. Čtvrtá dioda 10 je pak svou anodou připojena na katodu třetí diody 8, Stejně jako u základní varianty zapojení odlehčovacího dvoupólu £ představuje i zde anoda první diody 4 první svorku £ odlehčovacího dvoupólu £ a katoda druhé diody 7 druhou svorku 2 odlehčovacího dvoupólu £.

254 062

U jiné možné upravené varianty zapojení odlehčovacího dvoupólu 2» která je vyznačena na obr· 4, je tento odlehčovací dvoupol 2 tvořen první diodou 4, která je svou katodou připojena přes cívku 2 na anodu třetí diody 8. Třetí dioda 8 je připojena svou katodou přes druhý kondenzátor 6 na anodu první diody 4, ke které je současné připojena i anoda čtvrté diody 10. Čtvrtá dioda 10 je svou katodou připojena přes odpor 11 na anodu třetí diody 8, která je svou katodou připojena na anodu druhé diody 2· Druhá dioda 7 je pak svou katodou připojena přes první kondenzátor 5 na katodu první diody 4. Obdobné jako u předchozích variant vytvoření zapojení odlehčovacího dvoupólu 2 představuje rovnéž zde anoda první diody 4 první svorku 1_ odlehčovaoího dvoupólu 2 ^a katoda druhé diody 7 druhou svorku 2 odlehčovacího dvoupólu 2· ·

Princip činnosti spínače s vypínatelným výkonovým spínacím prvkem 17 v zapojení podle vynálezu je následující.

Předpokládá se, že v zapojení spínače s vypínatelným výkonovým spínacím prvkem 17 je užit odlehčovací dvoupol 2 ^v základní varianté zapojení, vyznačené na obr. 2. Dále se předpokládá, že zdroj 12 stejnosměrného napětí Ug má schopnost energii v sobě též akumulovat a že zátěž spínače máTdporově induktivní charakter z případným v sérii zapojeným zdrojem proměnného napětí.

Za výchozí stav se považuje stav, kdy vypínatelný výkonový spínací prvek 17 je sepnut a proud ig zátěže vtéká směrem, naznačeným na obr. 1, přes vstup 15 spínače a sepnutý vypínatelný výkonový spínací prvek 17 do záporné svorky 14 zdroje 12 stejnosměrného napětí Ug. První kondenzátor 2 3® nabit na napětí o velikosti Ug v takové polaritě, že jeho kladná elektroda je spojena s druhou svorkou 2 odl ehčovacího dvoupólu 2 ^a druhý kondenzátor 6 je také nabit na napětí o velikosti Ug v takové polaritě, že jeho kladná elektroda je připojena na”anodu druhé diody 2· Třetí dioda 8 je tedy v tomto okamžiku polována napětím o velikosti Ug v závěrném směru. První kondenzátor 2 ^a druhý kondenzátor óraají oba stejně velkou kapacitu a v okamžiku

234 0B2 vypnutí vypínatelného výkonového spínacího prvku 17 se tedy proud i^ zátěže rozdělí na dvě poloviny, z nichž jedna vybíjí první hondenzétor 5_ přes první diodu 4 a druhá vybíjí druhý kondenzátor 6 přes druhou diodu 7 z původního napětí o velikosti Up na nulové napětí· V okamžiku vypnutí vypínat elného výkonového spínacího prvku 17 převezmou tedy první kondenzátcr 5. i druhý kondenzátor 6 celý proud i^ zátěže, a to až do okamžiku, kdy se zcela vybijí na nulové napatí a vedení proudu i^. zátěže převezme nulová dioda 16. Budou-li mít první kondenzát“ tor 2 i druhý kondenzátor 6 dostatečně velkou kapacitu vzhledem k proudu i^ zátěže a k délce vypínací doby vypínatelného výkonového spínacího prvku 17, pak lze pomocí nich zajistit, že proud i^ zátěže, protékající vypínatelným výkonovým spínacím prvEěm 17, zanikne při jeho vypnutí dříve, než napětí na něm vzroste na příliš velkou hodnotu. Tím budou velmi výrazně omezeny výkonové ztráty na vypínatelném výkonovém spínacím prvku 17 při jeho vypínání. První kondenzátor 5. i druhý kondenzátor 6 zůstávají vybity po celou dobu, kdy je vypnut vypínatelný výkonový spínací prvek 17. K jejich novému nabití na napětí o velikosti Up dojde v okamžiku opětného sepnutí vypínatelného výkonového spínacího prvku 17 následujícím způsobem.

První dioda 4 a druhá dioda 7 jsou polovány v závěrném směru napětím o velikosti Up a v dalším ději se neuplatní, Vypínatelný výkonový spínací prvek 17 svým sepnutím tím způsobí připojení sériového rezonančního obvodu, tvořeného prvním kondenzát ořem 5., třetí diodou 8, cívkou 2. a druhým kondenzátorem 6, na zdroj 12 stejnosměrného napětí Up. Tímto rezonančním obvodem proteče sinusový rezonanční proudový“půlkmit, po jehož ukončení budou první kondenzátor £ i druhý kondenzátor 6 nabity na napětí o velikosti Up, neboi během rezonančního děje jsou první kondenzátor a cFruhý kondenzátor 6 zapojeny v sérii a mají stejnou velikost kapacity. Třetí dioda 8 ukončuje rezonanční děj právě v jeho půlperiodě a nedovoluje změnu směru toku proudu v rezonančním obvodu. První kondenzátor 5. a druhý kondenzátor 6 zůstávají nabity na napětí o velikosti Up a jsou připraveny k novému cyklu.

-8254 062

Vzhledem k tomu, že reálná třetí dioda 8 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 £ akumulována určitá energie, způsobená špičkovou hodnotou zotavovacího proudu třetí diody 8. Pokud nemá dojít k maření této, byí i malé, energie ve třetí diodě 8 a pokud se má současně zabránit jejímu přídavnému napě tovému namáhání, pak místo odlehčovacího dvoupólu £ v jeho základní variantě zapojení podle obr. 2, lze použít buď upravené varianty zapojení odlehčovacího dvoupólu £ podle obr. 3, popřípadě jiné možné upravené varianty zapojení odlehčovacího dvoupólu £ podle obr. 4. Funkce těchto odlehčovacích dvoupólů £ je zcela stejná, jsou však vybaveny čtvrtou diodou 10 a odporem £1, ve kterém dochází ke zmaření energie, nashromážděné v cívce £ a způsobené zotavovacím proudem třetí diody· 8,

U upravené varianty zapojení odlehčovacího dvoupólu £ podle obr. 3 dochází k demagnetizaci cívky £ tak, že proud protéká cestou od první s voiky £ odlehčovacího dvoupólu £ přes druhý kondenzátor £, cívku £, čtvrtou diodu 10 a odpor £1 na druhou svorku 2 odlehčovacího dvoupólu £. U jiné možné upravené varianty zapojení odlehčovacího dvoupólu £ podle obr. 4 dochází k demagnetizaci cívky £ tak, že proud protéká cestou od první svorky £ odlehčovacího dvoupólu £ přes čtvrtou diodu £0, odpor 11, cívku £ a první kondenzátor £ na druhou svoiku 2 odlehčovacího dvoupólu £. Vzhledem k tomu, že špička zotavovacího proudu třetí diody 8 je řádově menší, než amplituda sinusového rezonančního proudového půlkmitu, je energie, mařená v odporu 1£, přibližně o dva řády menší, než energie, soustředěná v prvním kondenzátoru £ a druhém kondenzátoru 6. Použití odporu 11 tedy nenarušuje princip bezeztrátovosti odlehčovacího dvoupólu £.

Vypínatelný výkonový spínací prvek 17 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 £ a druhý kondenzátor 6 zapojeny v sérii, kdy je jejich efektivní kapacita poloviční, přičemž v době vypínání vypínatelného výkono254 062 vého spínacího prvku 17 pracují první kondenzátor 5. a druhý kondenzátor 6 paralelně, kdy je jejich efektivní kapacita dvojnásobná, je pak poměr jejich efektivních kapacit při vybíjení vůči nabíjení čtyři ku jedné, což zajištuje minimalizaci amplitudy a doby trvání sinusového rezonančního proudového půlkmitu. Proto je přídavné proudové namáhání vypínatelného výkonového spínacího prvku 17 velmi malé i při krátkém trvání sinusového rezonančního proudového půlkmitu. Krátké trvání sinusového rezonančního proudového půlkmitu je důležité i z toho hlediska, že určuje minimální potřebnou dobu sepnutí vypínatelného výkonového spínacího prvku 17.

Claims (4)

1. Zapojení spínače s vypínatelným výkonovým spínacím prvkem, jehož první elektroda je připojena na zápornou svorku zdroje stejnosměrného napětí a jehož druhá elektroda, která tvoří výstup spínače, je připojena na anodu nulové diody, jejíž katoda je připojena na kladnou svorku zdroje stejnosměrného napětí, vyznačující se tím, že na druhou elektrodu (19) vypínat elného výkonového spínacího prvku (17) je připojen odlehčovací dvoupol (3) svou první svorkou (1), který je svou druhou svorkou (2) připojen na kladnou svorku (13) zdroje (12) stejnosměrného napětí (Ug).

2. Zapojení podle bodu 1, vyznačující se tím, že odlehčovací dvoupol (3) je tvořen první diodou (4), jejíž katoda je připojena na anodu třetí diody (8), jejíž katoda je připojena přes cívku (9) a s ní v sérii zapojený druhý kondenzátor (6) na anodu první diody (4), jejíž katoda je připojena přes první kondenzátor (5) na katodu druhé diody (7), jejíž anoda je připojena na spoj mezi cívkou (9) a druhým kondenzátorem (6), přičemž anoda první diody (4) tvoří první svorku (1) odlehčovacího dvoupólu (3) a katoda druhé diody (7) tvoří druhou svorku (2) odlehčovacího dvoupólu (3),

3· Zapojení podle bodu 1, vyznačující se tím, že odlehčovací dvoupol (3) je tvořen první diodou (4), jejíž katoda je připojena na anodu třetí diody (8), jejíž katoda je připojena přes cívku (9) as ní v sérii zapojený druhý kondenzátor (6) na anodu první diody (4), jejíž katoda je připojena přes první kondenzátor (5) na katodu druhé diody (7), jejíž anoda je připojena na spoj mezi cívkou (9) a druhým kondenzátorem (6) a jejíž katoda je dále připojena přes odpor (11) na katodu čtvrté diody (10), jejíž anoda je připojena na katodu třetí diody (8), přičemž anoda první diody (4) tvoří první svorku (1) odlehčovacího dvoupólu (3) a katoda druhé diody (7) tvoří druhou svorku (2) odlehčovacího dvoupólu (3).

254 062

4· Zapojení podle bodu 1, vyznačující se tím, že odlehčovací dvoupol (3) je tvořen první diodou (4), jejíž katoda je připojena přes cívku (9) na anodu třetí diody (8), jejíž katoda je připojena přes druhý kondenzátor (6) na anodu první diody (4), ke které je dále připojena anoda čtvrté diody (10), jejíž katoda je připojena přes odpor (11) na anodu třetí diody (8), jejíž katoda je připojena na anodu druhé diody (7), jejíž katoda je připojena přes první kondenzátor (5) na katodu první diody (4), přičemž anoda první diody (4) tvoří první svorku (1) odlehčovacího dvoupolu (3) a katoda druhé diody (7) tvoří druhou svorku (2) odlehčovacího dvoupolu (3).