CZ133393A3 - Single acting flow converter with one transformer and two protective means protected by electronic switches - Google Patents

Description

Vynález se vztahuje na jeden, jak ve význaku patentového nároku 1 nabízeno, jednočinný průtokový měnič s jedním transformátorem a dvěmi, ochrannými prostředky chráněnými, elektro nickými spínači.

Dosavadní stav techniky

Obdobný měnič je široce znám z Manuskript Valvo, Spínací - sítové díly, Přednášková řada, listopad 1976, kapitola „Vlastnosti a pracovní principy , strana 11. Známý průtokový měnič má tu přednost., že může odpadnout demagnetizační vinutí, protože transformátor je demagneti2ován primárním vinutím a omezovači mi. diodami. Ve známém, zveřejnění.je dále vyvedeno, že tyto spínače potřebují často žádné, nebo jen relativně vysokoohmové zapojení ochranný pro tranzistory a tedy účinnost je velmi vysoká.

ROD - spojení má obvykle tu schopnost a sice snížit zátěž spínacích tranzistorů. Ztrátový výkon se však přesunuje k jiným stavebním částem, ha druhé straně se může zkusit, řešit přepínací problém s pomocí rezonance a quazirezonanční změny. V tomto případě vsak musí být spínací prvky uzpůsobeny pro usměrňování vysokých proudů a napětí, vysoký okamžitý výkon je transportová sem a tam.

Okamžitý výkon se může přitom nacházet v rovině skutečného výkonu, nebo docela ještě výše. Následkem je vedle zvýšených nákladů redukovaná účinnost.

Vysoké spínací frekvence mají tu přednost, že stavební prvky usměrňovači schopností malých rozměrů'mohou nabízet upotřebení,

- 2 Přepínací ztráty ve spínacích prvcích nastupují 3 frekvencí. To může vést k závažnému zatížení prvků a nepranému snížení účinnosti.

vsak úměrně spínacích

Podstata vynálezu

Úkolem vynálezu je to, vytvořit jednočinný průtokový měnič, který ve vrchní části patentového nároku 1 uváděné možnosti má, že se pro oba elektronické spínače vyskytuje jedna možná ztrátová spínací zátěž právě tak při spínacím průběhu jakož i při vypínacím průběhu. Obzvláště musí průtokový měnič pracovat bez jmenovitých ztrát účinnosti, musí vykazovat jak možno malou zatěžovatelnost stavebních prvků v celém pracovním rozsahu a dosahovat vysokých spínacích kmitočtů.

Přiměřeně vynálezu je vytvořen průtokový měnič k řešení této úlohy nabízeným způsobem ve význakové části patentového nároku 1.. Vynálezeckými prostředky dosáhne se prospěchu, že. s...pomocí^jednoho., jednoduše realizovatelného ochranného. . zapojení je dosažena skutečná ochrana elektronického spínače právě tak pro spínací průběch, jako také. pro vypínací průběh.

Je průtokový měnič, u kterého je snižována možná malá rozptylová indukčnost transformátoru. To je obzvláště u měniče .případ, který vykazuje více výstupních obvodů s vlastní

V tomto případě je účelné, odpovídajícně dalšímu obrázku podle nároku 2 v sérii primární .vinutí transformátoru opatřit tlumivkou.

Na druhé straně pak může, když to nevede k nízkému rozptylu, nalézt užití realizací indukčnosti jako rozptylové indukčnosti obzvláště jednoduše realizovatelným transformátorem. Obzvláště může se tak stát při výrobě transformátoru s nízkým uložením vinutí pro usměrňování, nebo upustit od nákladného paketování primárního a sekundárního vinutí docela.

- 3 ocelný způsob odpovídající nároku 3 - frekvence spínacích impulsů je nastavena pomocí regulačního zařízení ve výhodné závi3lo3ti na minimálně jedné regulační veličině.

U dalšího zobrazení vynálezu podle nároku 4 z toho vyplývá, že se' pracovní frekvence v jednom dalším zatěžovacím obvodu mění jen málo a také je plynule přetvářena pri extrémních pracovních podmínkách bez rušících nespojitostí. Z toho vyplývá ten obzvláštní užitek, že ve společném pracovním obvodě je zajištována prakticky neměnná dobrá ochrana elektronického spínače. Další přínos spočívá v tom, že maximální pracovní frekvence,proti pulsně šířkově modulovanému měniči stejné technologie spínání,může být vysoce zvýšena.

Ke změně spojovací doby je vytažena, obzvláště v tomto týkajícím se případě použití dominující poruchová veličina.

U dalšího zobrazení vynálezu podle nároku 5 je to vstupní napětí průtokového měniče.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je blíže ozřejměn na základě v obrázcích 1,2 a 4 až 6 ukázaných vyvedených případech, stejně tak jako na základě v obrázku 3 ukázaného impulsního diagramu.

Ukazují:

obr.l - jednočinný průtokový měnič s ochranným obvodem obr.2 - varianta měniče podle obr.l obr.3 - impulsní diagram měniče podle obr.l obr.4,6,8 - varianty průtokového měniče podle obr.l vztažené zobrazení vstupního impulsu pro oba elektronické spínače obr.5 a 7 - impulsní diagramy pro obvody vyvedené dle obr.4, popřípadě 6.

Příklady provedení vynálezu

Obr.l ukazuje jednočinný průtokový měnič se dvěmi, polem řízenými tranzistory, jako spínače 41 a 42 . Zdroj stejnosměrného napětí 1 nabíjí kondenzátor 2 , výstupní napětí ^UA1

- 4 je na kondenzátoru 91 . Paralelně k kondensátoru _2 leží v hlavním primárním proudovém okruhu sériový obvod tvořený jednou Drain-Source cestou elektronického spínače 42 vytvořeného polem řízeným tranzistorem, primární vinutí 51 transformátoru 5, tlumivka 35 > Drain-Source cesta el»ktronického spínače 41 vytvořeného polem řízeným tranzistorem a měřící odpor 100.

Primární vinutí 51 transformátoru J Ď^e přiloženo na zdroj _1 vstupního napětí přes oba elektronické spínače 41 a 42 v jednom určeném smyslu. Tento smysl vyplývá z toho, že bodem označený začátek primárního vinutí 51 je spojen s plus svorkou napěťového zdroje 1 . Kromě toho je primární vinutí 51 napojeno v jiném smyslu na stejnosměrný zdroj napětí 1 a to přes dvě diodové proudo^vé větve, které tvoří diody 43, 44 polované v závěrném směru v závislosti na vstupním napětí Ug- . Přitom je počátek primárního-vinutí 51 spojen přes diodu 43 s minus píem napěťového zdroje 1 .

Mezi. sekundární vinuti .-52 transformátoru ja kondenzátorem 91 leží usměrňovači dioda 61 . V jedné příčné větvi napojené následně na usměrňovači diodu 61 je uspořádána průchozí dioda 71 . V jedné další.větvi mezi průchozí diodou 71 a kondenzátorem 91 leží tlumivka 81 . Na kondenzátoru 91 je napětí ^UA1 k dispozici. Do neznázorněného spotřebiče teče napájecí proud

K dalšímu sekundárnímu vinutí· 53 transformátoru 5 je napojen jeden další výstupní obvod měniče. Tento další výstupní obvod produkuje výstupní napětí ^a obsahuje usměrňovači diodu

-Éž. » průchozí diodu 72 , tlumivku 8,2 , tak jako kondenzátor 92. Je vybaven stejným způsobem jako výstupní obvod připojený k sekundárnímu vinutí 61.

Řídící elektrody elektronických spínačů 41, 42 tvořených polem řízenými tranzistory jsou napojeny na výstupy budiče 11 , který je řízen napěťově řízeným oscilátorem 19. Oba polem řízené tranzistory stejných vodivo3tních typů jsou současně spínány a vypínány soufázovým spínacím impulsem·.

- 5 Ochrany obvod _3 3louží k ochraně elektronických spínačů 41 a 42 a stará se o účinné zepínací a vypínací odlehčení. Ochrany obvod obsahuje na primární straně transformátoru 5 účinné sériové indukčnosti a oba sériové obvody 33, 34 a 31 , 32 .

Jeden sériový obvod sestává z kondensátoru J3 a diody 31 a je uspořádán paralelně k transformátoru _5 . Druhý sériový obvod 3estává z diody 32 a tlumivky ji a leží mezi spojovým bodem diody 34 a kondenzátoru 33 a mezi spojením Drain-elektrody polem řízeného tranzistoru který tvoří spínač 42 a plus pólem zdroje 1 vstupního napětí. Jedná se přitom o elektronický spínač, který je 3pojen s kondenzátorem jj prvního sériového obvodu. Diody 32, 34 obou sériových obvodů jsou v závislosti na vstupním stejnosměrném napětí U_£ polovány v závěrném směru.

U měřícího odporu 100 leží proudový regulátor 10 , u výstupu měniče pak napělový regulátor 15. Oba regulátory 10 a 15 « jsou přivedeny přes diody 16 a 1? na vstup napěíově řízeného oscilátoru.13, tak že je dostatečně-dosaženo takzvané oddělené

A regulace. Přitom ;je na řídící.-vstup. oscilátoru 1SL přivedeno výstupní napětí obou, regulátorů-10 a 15 právě velmi účinné. Oscilátor 19 vyrábí k tomu sled impulsů Up jejihž kmitočet je určován regulátorem 10 a 15. Tyto impulsy Up určují budič 11, jsou odevzdávány výhodnou dobu k elektronickému spínači spínacích impulsů.

$ bí

-t

Obr.2 ukazuje část jednočinného průtokového měniče podle obr.l se zachyceným zvýrazněným ochranným obvodem 1 . Rozdíl proti obr.l spočívá v tom, že v jednom'sériovém obvodu 33,34 jsou kondenzátor 33 a dioda 34 navzájem vyměněny a že tedy druhý sériový obvod 31 . 3g je spojen místo s Dián-elektrodou elektronického spínače 4.2 se Source-elektrodou elektronického spínače 11· Účinnost je odpovídající vyměněným r^lím obou elektronických spínačů stejná.

U měniče podle obr.l a 2 jsou oba elektronické spínače 43 a

H právatak současně spínány a vypínány, tzn. synchroně řízeny.

Jsou během trvání spínacího impulsu plynule řízeny.

V následujícím je popsán spínací cyklus pomocí impulsního diagramu podle obr.3

V časovém úseku 3^{3OU s}pí^nací ztráty prakticky eliminovány činnou ochrannou indukčností L35 na vstupní straně hlavního proudového obvodu, proud i^ v obou elektronických spínačích 41 ,42 může být nastaven je s definovanou strmostí di/dt = U_e/L35.

V ukázaném vyvedeném případě je ochranná.indukčnost L35 realizována tlumivkou X2, tzn. jako. diskrétní stavební prvek. Na místo tlumivky 1(? může naopak v tom okamžiku podle -velikosti spínaného výkonu elektronických spínačů být dosazena velká měrná vlastní indukčnost transformátoru 4. Dále může být účelnou tlumivka s malou indukčností ve spojení s odpovídající vlastní indukčností.

Ochranná indukčnost obnáší něco

ΛΙ je proudový zdvih v obou spínačích 41 a 41 během spínacího procesu.

V časovém úseku t^-t^ je od předcházejícího cyklu ve smyslu počítaných úseků negativně nabito, jako ochranný konden.zátor sloužící kondenzátor U je přěs’^ěždnáňčM'h“bvoá“4Xxl3;,7 přes diodu 32 a přes vedoucí elektronický spínač 42 přebit.

kromě nastavení magnetizačního proudu i v transformátoru 4.·.

V následujícím časovém t^-t^ jsou oba spínače 41 a 42 uzavřeny. Jak vyplývá z průběhu proudu přebírá kapacita 033 kondenzátoru 22 zátěžový proud úplně přes diodu 24, kterýžto zátěžový proud vyráží z ochranné indukčností L32· Tím jsou elektronické spínače 41 a 42 bez proudu a be2 zátěže.

Napětový nárůst je definován rovností du _ i, et Cj3

Po dosažení maximálního záporného napětí na kondenzátoru 33. které odpovídá vstupnímu napětí Ug , j* přebytečná energie z ochranné indukčnosti L35 odvedená^- pres, jako Clamping - diody účinkující diody 4 3 a 44 do zdroje vstupního napětí X .„.Jak vyplývá ² průběhu velikostí i^ a , jsou odpojovači ztráty na elektronických spínačích 41 a 42 prakticky eliminovány. Komutační průběh v usměrňovačích ňl a 21 popřípadě 62 a 12 je plně ukončen. Průchozí dioda 71 popřípadě 72 přebírá výstupní proud.

V navazujícím časovém úseku t^-tg může transformátor _5 být odmagnetizován přes diody 43. 44 na vstupní napětí Ug , jak ukazuje časový průběh magnetizačního proudu i .

Návazhě začína nový časový cyklus. Z popsaných účinků měniče a ochranného obvodu J vyplývá, že ; právě tak spínací průběh, tak jako vypínací průběh ' elektronických,spínačů 41 a 42 probíhá prakticky bezeztrátově.

Nahromaděná magnetická energie v ochranné indukčnosti L35 během spínací fáze je ve vypínací fázi ztrátově chudě nabíjena do kapacity £33 kondenzátoru 33 popřípadě do zdroje vstupního napětí pro vstupní napětí Ug . Během vypínacího průběhu do kondenzátoru 33 nabíjený elektrický náboj je klopným obvodem prakticky úplně a bezeztrátově přebit. Proud v elektronickém spínači 42 je kmitavým průběhem .sice trochu vyšší než v elektro· nickám spínači 41. Také on má přeci induktivní charakter a dodatečné ztráty v elektronickém spínači 42 jsou minimální. V uzavřené fázi nemůže být suma napětí a ^na tranzistorech 41 a 42 větší než vstupní napětí Ug .

Na rozdíl od rezonančního měnění “Je jen malá část přenášeného výkonu transportována sem a tam jako jalový výkon. To přináší to, že komponenty nejsou vystaveny žádnému nepotřebnému stresu. Stavební díly ochranného obvodu J jsou ve spojení s průtočným měničem tak vyměřeny, že 3e dosáhne předem uvedené a popsané funkce. Jeden úplně vyměřený příklad pro případ, že v obr.l schází druhý výstupní obvod, lze si představit z následující tabulky:

L35	-	2CzuH
333		1,8 nf
L31	=	56 ^uH
	—	980 zuH
11	=	1
UE	-	40 V
UA	=	8,4 V
\	=	0,5 A
LSI	-	660 zuH
S	-	300 kHz
r		0,5

s L,

Pritom. je vyznačen klapkový stupeň jemné indukčnosti a tt překládaný vzájemný poměr transformátoru 2 · LQl je indukčnost tlumivky 81

Q vzáPrůtočný měnič podle obr.l obsahuje jeden regulační přípravek Rl , s jehož pomocí je frekvence spínacích impulsů konstantního trvání variantní. Odlišně od toho. může být upraven daný případ pulsně šířkové.modulace,obzvláště ve spojeni 3 jednou variantou impulsní frekvence. Při samotné pulsně šířkové modulaci může vyvstat tak silné zkrácení spínacího Času při měnění, že dimenzování kmitavého obvodu způsobuje těžkosti .pro přebíjení kondenzátoru 33 sloužícího jako ochranný kondenzátor. To právě tak rezonanční frekvence jako také proudová amplituda musí být běhempřěhí^jění 'v'o'lena^_ve-lmi- -vysoko-.------—-----------------------------Takovým těžkostem, se nechá úspěšně vystříhat regulačním, popř. řídícím přípravkem, který mění právě tak trvání, jako také frekvenci spínacích impulsů.

Regulační zapojení podle obr.4 obsahuje pulsní generátor 18 s předřazeným napětově řízeným oscilátorem 19. Pulsní generátor 18 leží jedním vstupem na vstupu měniče, tzn. na vstupním napětí Ug . Další V3tup je připojen na napětově řízený oscilátor 19 a dostává z oscilátoru 19 taktovací napětí Urj, variabilní frekvence.

Pulsní generátor 18 produkuje sled impulsů Up, jejichž frekvence je dána napětově řízeným oscilátorem 19 a jejichž doba . . sepnutí je nepřímo úměrná vstupnímu napětí.

- 9 Ve všeobecnosti vysílá pul sní generátor 18 pulsy U-, určité dob?/ trvání tg. Opakovači frekvence je nastavena napětově řízeným oscilátorem VGO popřípadě 19 odpovídajícně pracovnímu bodu I - regulátoru 10 nebo U - regulátoru 15. Tím odpadá nutnost, puls dále 3Ílně zkracovat. V hraničním případě může býti minimální doba periody odpovídající maximální frekvenci určována nejmenší realizovatelnou dobou sepnutí a klapkovým stupněm, a sice podle vztahu:

f =

Přitom je f opakovači frekvence spínacího impulsu e, ^7*je klapkový stupeň, a tg j* trvání spínacího pulsu.

Při spínacím pulsu s trváním tg = 0,5 yus a s klapkovým stupněm = 0,5 dosáhne se potom frekvence od. 1 MHz. Trvání spínacího pulsu závisí na vstupním napětí Ug. To je nepři mo úměrné vstupnímu, napětí - - .

• Λ . ¹ ' —i— / 2 / _{E c}_

Změna vstupního napětí Ug j* u průtočného měniče dominantní poruchovou veličinou.

U idealizovaného bezeztrátovéhó měniče platí vztah:

^UA -

^UE · ^tE * ^£ ’

Po uplatnění V2tahu /2/ zůstává produkt Ug.tg konstantní, tak nepotřebuje býti měněna frekvence při změně vstupního napětí, pro získání výstupního napětí U^·

Řízení spínacího času v závislosti na vstupním napětí samostatně je jednoduše realizovatelné řízení a nevykazuje také při vysoké frekvenci žádné spínací technické problémy.

Pulsni diagram na obr.5 ukazuje principiální chování měniče při různých pracovních stavech:

a/' V náběhové pause popř. při nepatrném výstupním napětí nastavuje napětově řízený oscilátor 1,,9 maximální frekvenci. Ta odpovídá minimální době periody T_m^_n taktovacího pulsu b/ Při minimálním vstupním napětí 18 spínací puls U? s maximální c/ Zvýšení vstupního napětí má za - ho času na novou hodnotu tg_x. , frekvence.

poskytuje pulsní generátor dobou trvání t~ .

Emax následek zkrácení spínscíaniž by se pitom změnila d/e/Oba diagramy ukazují redukci frekvence při silném zatížení, nebo při přetížení a neměnném vstupním napětí Ug. Nastavuje se delší doba periody T při stějně zůstávajícím Čase t_£x .

Obr.6 ukazuje jednu účelnou formu vyvedení generátoru 18 měniče podle obr.4* Na vstupu měniče, to znamená na vstupní napětí U_E připojeno, leží sériové spojení odporu 20 a kondenzátoru 22 . Paralelně ke kondenzátoru 22 leží řízený spínač 21, který je řízen výstupním napětím U^,napětově řízeného oscilátoru 19. Kondenzátor 23 je„svým neinvertujícím vstupem přes zdroj 24 referenčního napětí.spojen,s minus pólem vstupu měniče a invertujícím vstupem.je připojen ke spojovacímu bodu .. odporu 20 a kondenzátoru 22 . Na výstupu komparátoru 23 je připojen budič .11 .

Jak vyplývá z impulsního diagramu na obr.7, má pulsní generátor 18 jeden napětově 2ávislý vstupní ča3. Napětově řízený ošcilá^ťořT9~vydává’na- -svém-vý-s-t-upu- sled·-pul.sů_U^_._Napětí. U^_ na kondenzátoru 22 má pilovitý průběh, přičemž náběhová hrana impulsu je přímo úměrná vstupnímu napětí Ug. K výstupu komparátoru 23 odpovídá napětí U^, které se skládá ze sledu pravoúhlých impulsů. Náběhové hrany pravoúhlých impulsů -odpovídají sepnutí komparátoru k časovému bodu t^, sestupné hrany, odpovídají vypnutí komparátoru k časovému bodu tg. Trvání pravoúhlých impulsů odpovídá spínacímu času elektronického spínače ležícího v hlavním proudovém obvodu a je označen tg.

Výstupní napětí U& komparátoru 23 vykazuje zkrácení spínacího času t_p p£ zvýšení vstupního napětí z hodnoty Ug na hočtotu U_r.^#

Regulační obvod podle obr. 8 odlišuje se od regulačního obvodu ϊ ní k

R i průtokového neniče nu obr. i tím, že na místo sárí: frekvenční modulaci je logický obvod 12 , pulsně šířkový modulátor 13 a taktovac 14 .

Pomocí popsanými formami vyvedené stanovené konstanty, popřípadě předseřízením málo variabilní doby spínání, nechá se problematicky dimenzovat rezonanční obvod L31 / C33 pro všechny provozní stavy. Doba spínání elektronického spínače 42 může být optimální pro použití změněného postupu. Další užitek spočívá v tom, že se funkce ochranných elementů nechá dále volně dimenzovat při jiných funkcích měniče.

Popsaný průtočný měnič se nechá postupně přeměnit v proudově napájecí modul k napájení stavebních skupin elektrické sdělovací techniky. Jsou také příznačné pro přesun vysokých výkonů z síťového napětí / síťové spínací přístroje, usměrňovače /.

dl

-12 Τ) <* Τ71 ~ j-t. χ .τι -*» -r r V/ ·ι _j

Z1/ Jednočinný orůt okovy měnič s jedním transformátor·' kterv wkazuje na orimární straně hlavního troudového obvodu měniče ležící primární vinutí (51) a minimálně jedno sekundární vinut;' (52,53) ležící na •výstupním proudovém, obvodu , přičemž primární vinutí (51) transformátoru (5) je přepínatelné přes dvo ochranné spínače (41,4-2) pomocí vstupních impulsů synchronně zapínaným a vypínaným ochranným prostředkem v jednom výhodném směrovém smyslu ke zdroji vstupního napětí a přes dvs proudová diodová větve, diody (43 4?) jsou polovány se zřetelem na vstupní napětí (U-n) v závěrném směru, v jiném směrovém smyslu je připojen ke stejnosměrnému zdroji napětí (1) a přičemž v minimálně jednom sekundárním vinutí (52,53) transformátoru (5) je uzavřen jeden výstupní obvod s jednou usměrňovači diodou (6l,62), jednou průchozí diodou (71,72) a jednou tlumivkou (81) vyznačující s e t í m , že k ochraně elektronických spínačů (41,42) určené ochranné zapojení obsahuje na primární straně transformátoru účinnou sériovou indukčnost (L35) a dva sériové obvody, ze kterých jeden se skládá z kondenzátoru (33) a diody (34) a je uspořádán paralelně k primárnímu vinutí (51) transformátoru (5) a jiný se skládá z diody (32) a tlumivky (31) mezi spojovým bodem diody (34) a kondensátoru (33) sériového obvodu a se zdrojem vstupního napětí (l) spojeným přípojem kondenzátoru (33) sériového obvodu leží snojsné elektronické spínače (42, popř. 41) a že diody (32,34) obou sériových obvodů jsou polovány se zřetelem ke vstupnímu stejnosměrnému napětí (L%) v závěrném směru.

2/ Jednočinný průtokový měnič podle nároku 1/ vyznač-ující se tím, že transformátor (5) vykazuje více sekundárních vinutí (52,53) s vlastním výstupním proudovým obvodem a že na primární straně hlavního proudového obvodu je vytvořena účinná indukčnost (L ) nejméně z části v sérii k primárnímu vinutí (5'C) transformátoru (5) ležící tlumivkou (15,35).

- 13 3/ Jednočinný průtokový měnič podle nároku 1/ nebo v y z i. :. .,· Ujici se t i o , se

Claims (3)

1. v y z i. :. .,· Ujici se t i o , se frekvence elektronických spínačů (41,42) veden.3,::1 rídici-ch zaO2.nae2.on imoulsů mi-^--1 i má? í^drím regulátor obsahujícím regulačním zařízením.

   ie nastavitelná
2. 4/ Jednočinný průtokový měnič podle.nároku 3/ trvání vedení řídících zaoínacích imoulsů elektronickým spínačům (41,42) je měněno ve výhodné závislosti na minimálně jedné poruchové veličině.
3. 5/ Jednočinný průtokový měnič podle nároku 4/ vyznačující se tím, že trvání zapínacích impulsů je nepřímo úměrné vstupnímu napětí (Ug) a že frekvence minimálně jednoho regulátor ( 10, 15) obsahujícího zařízení je nastavitelná.