FI110897B - Jännitettä nostava katkoja - Google Patents

Description

110897 Jännitettä nostava katkoja

Keksinnön tausta

Keksinnön kohteena on jännitettä nostava katkoja, joka käsittää ensimmäisen induktanssin, jonka ensimmäinen napa muodostaa katkojan positii-5 visen sisääntulopisteen, toisen induktanssin, jonka ensimmäinen napa on kytketty ensimmäisen induktanssin toiseen napaan, ensimmäisen diodin, jonka anodi on kytketty toisen induktanssin toiseen napaan, ensimmäisen ja toisen ohitusdiodin, jotka on kytketty sarjaan siten, että ensimmäisen ohitusdiodin katodi on kytketty toisen ohitusdiodin anodille toisen ohitusdiodin katodin olio lessa kytketty edelleen ensimmäisen diodin katodille, vaimennuskondensaat-torin, joka on kytketty toisen induktanssin ja ensimmäisen diodin välisestä pisteestä sarjaankytkettyjen ohitusdiodien väliseen pisteeseen, puolijohdekyt-kimen, jonka kollektori on kytketty ensimmäisen ohitusdiodin anodille ja jonka emitted muodostaa katkojan negatiivisen sisääntulopisteen, ja ulostulokon-15 densaattorin, jonka toinen napa on kytketty ensimmäisen diodin ja toisen ohitusdiodin katodeille ja toinen napa puolijohdekytkimen emitterille katkojan ulostulojännitteen muodostuessa ulostulokondensaattorin napojen välille.

Tässä tekstissä diodilla tarkoitetaan mitä hyvänsä puolijohdekomponenttia, joka johtaa virtaa ainoastaan toiseen suuntaan ja estää virran kulun 20 toiseen suuntaan. Samoin tekstissä käytetyt diodin napojen nimitykset anodi ja * * * ’ katodi tarkoittavat minkä hyvänsä diodia vastaavan puolijohdekomponentin vastaavia napoja. Lisäksi tässä tekstissä käytetään puolijohdekytkimen, kuten * · # • V transistori tai FET, navoista esimerkinomaisesti nimityksiä kollektori ja emitted.

On kuitenkin selvää, että puolijohdekytkimen tyypistä riippuen sen napoja kut- : V: 25 sutaan eri nimityksillä.

» · Jännitettä nostavaa katkojaa käytetään yleisesti jännitelähteenä erityyppisissä luotettavaa tasajännitettä tarvitsevissa sovelluksissa. Jännitettä ; nostava katkoja voidaan muodostaa varsin vähäisistä komponenteista, jolloin kuitenkin katkojan aiheuttamat häviöt ja verkko-ominaisuudet eivät ole parhaat * * ’ ·; * ’ 30 mahdolliset. Häviöitten suuruuteen vaikuttaa merkittävästi katkojassa käytettä- vän päädiodin takavirtapiikin suuruus. Päädiodi sijaitsee nostavissa katkojissa : i sarjassa pääinduktanssin kanssa, jolloin kaikki kuormavirta kulkee mainitun .. ’ - diodin läpi. Diodin takavirtapiikki, joka syntyy diodin siirtyessä estotilaan, pää- see näin ollen kulkemaan katkojan puolijohdekytkimen läpi tämän siirtyessä ’· : 35 johtavaan tilaan. Suurehkon takavirtapiikin johdosta kytkentähäviöitten suu ruus muodostuu merkittävän suureksi. Lisäksi takavirtapiikin amplitudi on suuri 110897 2 ja kestoaika lyhyt, jolloin virtapiikki aiheuttaa ongelmia sähkömagneettisten häiriöiden muodossa. Takavirtapiikin aiheuttamiin ongelmiin on olemassa ratkaisu, jossa käytetään passiivista vaimennuspiiriä, johon diodin virran katketessa takavirtapiikki virtaa. Kyseinen ratkaisu on esitetty julkaisussa H. Levy et 5 ai. ’’Analysis and evaluation of a lossless turn-on snubber” APEC, 1997, s. 757. Tällainen passiivinen vaimennuspiiri kuitenkin lisää katkojan sisääntulo-virran aaltoisuutta.

Toisen ongelman jännitettä nostavien katkojien yhteydessä muodostaa katkojan sisääntulovirran kytkentätaajuinen aaltoisuus. Aaltoisuuden 10 aiheuttamien syöttävään verkkoon leviävien häiriöiden vuoksi katkojassa tulee olla virtaa tasoittava sisääntulosuodin. Perinteisesti suodin on muodostettu induktiivisen komponentin ja kapasitiivisen komponentin alipäästösuodinkytken-nästä. Tällainen LC-suodin kuitenkin lisää katkojan kokoa ja sen myötä kustannuksia. Edelleen jos aaltoisuus on voimakasta, tulee sisääntulosuotimeen 15 lisätä useita suodatusasteita, jolloin saatetaan joutua vaikeuksiin katkojan säätöjärjestelyn suunnittelussa. Alipäästösuotimen lisääminen aiheuttaa vai-heviivettä, jonka johdosta säädön, ja sen myötä koko katkojan käyttäytyminen muutostilanteissa heikkenee. Vaiheviiveen johdosta myös katkojan tehokerroin heikkenee. Kaiken lisäksi alipäästösuodinkytkentää käyttämällä on mahdo-20 tonta saavuttaa täysin tasaista virran aaltomuotoa.

Perinteisen nostavan katkojan yhteyteen on kuitenkin esitetty käy- • » · '·'/ tettäväksi sisääntulovirran aaltoisuuden poistavaa LC-haaraa, jossa induktiivi- nen ja kapasitiivinen komponentti on kytketty sarjaan siten, että kumpikaan »· * : komponenteista ei sijaitse katkojan päävirtapiirissä. Tällainen ratkaisu on esi- » · 25 tetty julkaisussa J. Wang et ai. ’’Modified boost converter with continuous in-ductor current mode and ripple free input current” PESC, 1996, s. 390.

• > I • · ·

* I

Keksinnön lyhyt selostus . . Tämän keksinnön tarkoituksena on aikaansaada jännitettä nostava katkoja, joka välttää edellä mainitut epäkohdat, ja mahdollistaa jännitteen » · 30 nostamisen luotettavalla ja pienihäviöisellä tavalla ja tasaisella sisääntulovir-i/.i ralla yksinkertaista kytkentää käyttäen. Tämä tarkoitus saavutetaan keksinnön :-·· mukaisella jännitettä nostavalla katkojalla, jolle on tunnusomaista, että katkoja käsittää lisäksi , ·’ suodatuskondensaattorin ja suodatusinduktanssin, joiden sarjakyt- '· : 35 kentä on kytketty ensimmäisen induktanssin ja toisen induktanssin välisestä pisteestä puolijohdekytkimen emitterille, ja 110897 3 kolmannen induktanssin, joka on kytketty ensimmäisen induktanssin ja toisen induktanssin välisestä pisteestä puolijohdekytkimen kollektorille.

Keksintö perustuu siihen ajatukseen, että lisätään sisääntulovirran aaltoisuutta pienentävä kytkentä jännitettä nostavaan katkojaan, jossa on 5 päädiodin takavirtapiikin aiheuttamia häviöitä pienentävä piiri. Tunnetulla ainoastaan yhden induktanssin ja kondensaattorin käsittävällä suodatuspiirillä voidaan sisääntulovirrasta poistaa ainoastaan katkojan pääinduktanssin aikaansaama virran aaltoisuus. Näin ollen katkojaan on kytkettävä induktiivinen komponentti kytkinkomponentin kanssa sarjaan, jotta takavirtapiikin häviöitä pie-10 nentävän piirin aiheuttama aaltoisuuskomponentti katkojan sisääntulovirrasta saadaan suodatettua.

Keksinnön mukaisen jännitettä nostavan katkojan etuna on vähäiset häviöt ja pienet häiriötasot niin verkkoon johtuvien kuin säteilevien häiriöiden osalta. Edut saavutetaan yksinkertaisella ja siten vähän komponentteja tarvit-15 sevalla ratkaisulla.

Kuvioiden lyhyt selostus

Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen yhteydessä, viitaten oheisiin piirroksiin, joissa:

Kuvio 1 esittää nostavan katkojan perusrakennetta; ja 20 Kuvio 2 esittää keksinnön mukaista nostavaa katkojaa.

Keksinnön yksityiskohtainen selostus

Kuvion 1 mukainen jännitettä nostavan katkojan perusrakenne : koostuu ensimmäisestä induktanssista L1 eli pääinduktanssista, ensimmäi- sestä diodista D1, puolijohdekytkimestä S ja ulostulokondensaattorista Cd. 25 Edellä mainituilla komponenteilla voidaan muodostaa toimiva jännitettä nostava katkoja kuvion 1 mukaisesti. Tällaista nostavaa katkojaa kutsutaan yleisesti Boost-tyyppiseksi katkojaksi. Piirin sisääntulojännite Vs kytketään kuvion osoittamalla tavalla induktanssin L1 ja kytkimen S emitterin välille ja ulostulo- ,.· jännite Vout muodostuu ulostulokondensaattorin yli olevasta jännitteestä.

\: 30 Ulostulojännite muodostetaan kytkemällä kytkintä S vuoroin johtavaan tilaan ja pois johtavasta tilasta sopivalla kytkimen ohjauksella. Ulostulojännitteen suuruuden määrää kytkimen ohjauksen pulssisuhde, eli kuinka kauan yhdestä . · kytkinjaksosta kytkintä pidetään johtavassa tilassa.

‘ Kuvio 2 esittää keksinnön mukaista jännitettä nostavaa katkojaa.

35 Keksinnön mukaisesti katkoja käsittää ensimmäisen induktanssin L1, jonka 110897 4 ensimmäinen napa muodostaa katkojan positiivisen sisääntulopisteen. Ensimmäisen induktanssin kanssa on kytketty sarjaan toinen induktanssi L2. Toisen induktanssin kanssa sarjassa on edelleen ensimmäinen diodi D1. Ensimmäinen induktanssi ja ensimmäinen diodi vastaavat toiminnallisilta tarkoituk-5 siltaan kuvion 1 esittämän perusrakenteen vastaavia komponentteja. Samoin ensimmäisen diodin katodille kytketty ulostulokondensaattori Cd sekä ensimmäisen induktanssin toiseen napaan sarjainduktanssin L3 kautta kytketty puo-lijohdekytkin S vastaavat perusrakenteen komponentteja toiminnallisessa mielessä tarkasteltuna.

10 Keksinnön mukainen kytkentä käsittää lisäksi ensimmäisen ja toi sen ohitusdiodin D2, D3 sarjakytkennän. Kuvion 2 esittämällä tavalla ohitus-diodit on kytketty samansuuntaisesti sarjaan. Diodin D3 katodi on kytketty ensimmäisen diodin katodille. Jännitettä nostava katkoja käsittää lisäksi keksinnön mukaisesti vaimennuskondensaattorin Cr, joka on kytketty toisen induk-15 tanssin L2 ja ensimmäisen diodin D1 välisestä pisteestä ohitusdiodien D2, D3 väliseen pisteeseen.

Edellä mainittujen ohitusdiodien D2, D3, toisen induktanssin L2 ja vaimennuskondensaattorin Cr kytkentä muodostaa kuvion 1 peruskytkentään lisättynä vaimennuskytkennän, jonka tarkoituksena on pienentää diodin D1 ta-20 kavirtapiikkiä, ja siten vähentää puolijohdekytkimen kytkennän aikaisia häviöitä. Takavirtapiikki muodostuu diodin siirtyessä pois johtavasta tilasta, jolloin diodin läpi virtaa estosuuntaan terävä virtapiikki. Koska diodin D1 sammumi-' ·' nen ja ohjattavan puolijohdekytkimen S siirtyminen johtavaan tilaan tapahtuu • · 9 : '.·* samanaikaisesti, pyrkii diodin takavirtapiikki kulkemaan puolijohdekytkimen :, ·· 25 kautta. Puolijohdekytkimien tehohäviöistä merkittävä osa aiheutuu kytkennän :' aikaisista häviöistä. Näiden tehohäviöiden suuruus voidaan minimoida, mini- moimalla kytkimen syttymis- ja sammumishetkillä kytkimen läpi kulkeva virta. Tällöin diodin D1 takavirtapiikin minimoiminen pienentää tehohäviöitä merkit-. ·, : tävästi.

·..] 30 Keksinnön mukainen katkoja käsittää lisäksi suodatuspiirin, joka * · koostuu suodatuskondensaattorista Cs ja suodatusinduktanssista Ls, jotka on , ‘ · * kytketty kuvion 2 esittämällä tavalla ensimmäisen induktanssin toisen navan ja i puolijohdekytkimen emitterin välille. Suodatuspiirin tarkoituksena on poistaa :v, sisääntulovirran kytkentätaajuinen aaltoisuus. Kyseisellä piirillä saadaankin 35 poistetuksi ensimmäisestä induktanssista L1 aiheutuva aaltoisuus sisääntulo-’ ; virrasta. Koska takavirtapiikin vaikutusten pienentämiseen tarkoitetun vaimen- 5 110897 nuspiirin, joka käsittää komponentit L2, Cr, D2, D3, induktanssi L2 on sarjassa ensimmäisen induktanssin kanssa, on selvää, että myös induktanssi L2 aiheuttaa kytkentätaajuisen komponentin katkojan sisääntulovirtaan. Tätä aaltoi-suuskomponenttia ei voida poistaa suodatuspiirillä Cs, Ls. Induktanssin L2 ai-5 heuttama aaltoisuus voidaan kuitenkin poistaa kytkemällä keksinnön mukaisesti kolmas induktanssi L3 ensimmäisen ja toisen induktanssin L1, L2 välisestä pisteestä puolijohdekytkimen kollektorille ja samalla ensimmäisen ohi-tusdiodin D2 anodille. Kolmas induktanssi mitoitetaan edullisesti vastaamaan induktiivisuudeltaan toisen induktanssin induktiivisuutta. Tällaisella mitoituk-10 sella sisääntulovirran aaltoisuudesta saadaan mahdollisimman pientä.

Keksinnön mukaisen katkojan kaikki induktiiviset komponentit sijoitetaan keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaisesti samalle sydän-rakenteelle. Samalla sydänrakenteella ollessaan induktiivisillä komponenteilla on hyvä keskinäinen magneettinen kytkentä. Lisäksi yhdelle sydämelle integ-15 roidut käämitykset säästävät huomattavasti tilaa. Käämien välistä magneettisen kytkennän suuruutta, eli kytkentäkerrointa, voidaan sovittaa halutuksi joko käämien geometrian tai ylimääräisten induktiivisten komponenttien avulla. Tällaiset kytkentäkertoimen suuruutta muuttavat kuristimet sijoitetaan sarja-komponenteiksi sydänrakenteella oleville käämeille.

20 Induktiiviset komponentit L1, L2 ja L3 ovat lisäksi edullisesti kää mitty samansuuntaisesti toisiinsa nähden sydämen ympärille komponentin Ls omatessa muista komponenteista poikkeavan käämintäsuunnan. Tällöin käämien L1, L2 ja L3 polariteetit muodostuvat samoiksi ja käämin Ls polariteetti > · : vastakkaiseksi edellämainittujen käämien polariteetteihin nähden kuvion 2 : j 25 esittämällä tavalla.

: Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että tekniikan kehittyessä keksin- ‘ nön perusajatus voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Keksintö ja sen suoritus- > muodot eivät siten rajoitu yllä kuvattuihin esimerkkeihin vaan ne voivat vaih- , ·. : della patenttivaatimusten puitteissa.

> I » » »

» I

Claims (6)

110897

1. Jännitettä nostava katkoja, joka käsittää ensimmäisen induktanssin (L1), jonka ensimmäinen napa muodostaa katkojan positiivisen sisääntulopisteen, 5 toisen induktanssin (L2), jonka ensimmäinen napa on kytketty en simmäisen induktanssin (L1) toiseen napaan, ensimmäisen diodin (D1), jonka anodi on kytketty toisen induktanssin (L2) toiseen napaan, ensimmäisen ja toisen ohitusdiodin (D2, D3), jotka on kytketty sar-10 jaan siten, että ensimmäisen ohitusdiodin (D2) katodi on kytketty toisen ohitusdiodin (D3) anodille toisen ohitusdiodin (D3) katodin ollessa kytketty edelleen ensimmäisen diodin (D1) katodille, vaimennuskondensaattorin (Cr), joka on kytketty toisen induktanssin ja ensimmäisen diodin välisestä pisteestä sarjaankytkettyjen ohitusdiodien 15 väliseen pisteeseen, puolijohdekytkimen (S), jonka kollektori on kytketty ensimmäisen ohitusdiodin (D2) anodille ja jonka emitteri muodostaa katkojan negatiivisen sisääntulopisteen, ja ulostulokondensaattorin (Cd), jonka toinen napa on kytketty ensim-20 mäisen diodin ja toisen ohitusdiodin katodeille ja toinen napa puolijohdekytki-: : men emitterille katkojan ulostulojännitteen muodostuessa ulostulokonden- saattorin napojen välille, tunnettu siitä, että katkoja käsittää lisäksi suodatuskondensaattorin (Cs) ja suodatusinduktanssin (Ls), joiden ;' *. i sarjakytkentä on kytketty ensimmäisen induktanssin (L1) ja toisen induktanssin : V: 25 (L2) välisestä pisteestä puolijohdekytkimen emitterille, ja .· ;*. kolmannen induktanssin (L3), joka on kytketty ensimmäisen induk tanssin (L1) ja toisen induktanssin (L2) välisestä pisteestä puolijohdekytkimen ... kollektorille.

!,,: 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen katkoja, tunnettu siitä, että » I 30 toisen induktanssin (L2) ja kolmannen induktanssin (L3) induktanssiarvot ovat ’ ‘. ί samat.

; · · 3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen katkoja induktanssien muodostuessa sydämen ympärille käämityistä käämeistä, tunnettu siitä, , \ että ensimmäinen induktanssin (L1) muodostava käämi, toisen induktanssin * ' ·’ 35 (L2) muodostava käämi, kolmannen induktanssin (L3) muodostava käämi ja suodatusinduktanssin (Ls) muodostava käämi on sovitettu samalle sydämelle. 7 110897

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen katkoja, tunnettu siitä, että käämien väliset kytkentäkertoimet on muodostettu halutuiksi käämigeometri-alla.

5. Patenttivaatimuksen 3 tai 4 mukainen katkoja, tunnettu siitä, 5 että käämien väliset kytkentäkertoimet on muodostettu halutuiksi erillisillä induktiivisilla komponenteilla, jotka on kytketty sarjaan mainittujen käämien kanssa.

6. Patenttivaatimuksen 1 - 5 mukainen katkoja, tunnettu siitä, että ensimmäisen induktanssin (L1) muodostavan käämin, toisen induktanssin 10 (L2) muodostavan käämin ja kolmannen induktanssin (L3) muodostavan kää min polariteetit ovat samansuuntaiset ja suodatusinduktanssin (Ls) muodostavan käämin polariteetti näihin nähden vastakkainen. » « I · » t · · * * · • * · » * · f » I i ► * » » * « I » » t t « » » * I t > • » t > » 110897