FI67640B - Dc-dc-omvandlare vid vilken en resonanskrets alternerande matas medelst tvao halvledaromkoppling - Google Patents

Description

67640

Dc-dc-muuttaja, jossa kahdella puolijohdekytkimellä syötetään vuorovaiheisesti resonanssipiiriä

Esillä oleva keksintö kohdistuu dc-dc-muuttajaan, jossa on muuntajan sisältävä resonanssipiiri sekä ainakin kaksi vuorotellen päällekvtkettävissä olevaa, resonanssipiiriä vuorovaiheisesti syöttävää puolijohdekytkintä, joista kumpikin on varustettu rinnakkaisdiodilla virran suunnan-vaihtoa varten kytkimessä ja jotka ovat kytketyt lisäkom-ponentteineen johtosuunnassa peräkkäin sisääntulevan tasa-jännitteen yli siten, että kummankin kytkimen kanssa sarjassa on ainakin induktanssi, jotka sarjainduktanssit ovat ns. "flyback-tvyppisestä" kytkennästä tunnetulla tavalla kahtia jaetun muuntajan ensiökäämejä, jolloin puolijohde-kytkimien läpi menevälle virralle on järjestetty virtatie, joka lähtee mainittujen ensiökäämien välisestä pisteestä pisteeseen, joka on kahden jakokondensaattorin kautta yhdistetty syöttöjännitteen napoihin, ja jolloin muuntajien toisiot on kytketty tasasuuntaajien kautta kuormaan ja muuntajien polariteetit on järjestetty niin, että kytkentä toimii ns. "forward-periaatteella".

Tunnettua (esim. FI-hakemus 771476) tyristoriohjattua dc-dc-muuttajaa edustaa kuvassa 1 esitetty itsekommutoi-van muuttajan periaatekytkentä, jonka muuntajan M ensiö-virta 1^ on esitetty kuvassa 5a. Kytkennän toiminta on seuraava. Hetkellä t^ sytytetään tyristori , jolloin kondensaattorien ja kapasitanssin ja muunta jan M induktanssin muodostama resonanssipiiri sulkeutuu. Virta kulkee aikavälin tyristorin läpi sekä aika välin t2-t^ diodin läpi, jolloin tyristori kommu-toituu. Tämän jälkeen voidaan sytyttää tyristori T2/ esim. hetkellä t^, jolloin virta kulkee ajan t^-tg tyristorin T2 läpi ja aikavälin t^-t^ diodin D^ läpi.

2 67640

Koska hetkellä tg virta siirtyy diodille D^r voidaan tyristori T.j sytyttää aikaisemminkin kuin hetkellä t^, esimerkiksi hetkellä tg, jolloin muuntajan virta noudattaa katkoviivan osoittamaa käyrää aikavälillä tg-tg. Tämä tapahtuu sillä edellytyksellä, että aikaväli tg-tg on riittävän pitkä T2:n kommutoimiseksi. Tämän eräänlaisen päällekkäiskytken-nän avulla voidaan säätää virran amplitudia ja siten muuntajan M toisiosta diodeilla Dg ja tasasuuntaamalla saatavan jännitteen arvoa.

Kuvan 1 kytkentä ei kuitenkaan sellaisenaan toimi edellä kuvatussa tilanteessa. Jos nimittäin hetkellä tg kytketään T^ johtamaan, sen läpi kulkeva virta katkaisee nopeasti D2:n virran ja koko kondensaattorin Cg jännite vaikuttaa tyristorin T2 yli eli tyristorin T2 anodijännite nousee hyvin nopeasti suureen arvoon. Käytännön tyristorit eivät kestä ilman itsesytytystä tällaista jännitteen nousua, joten jännitteen nousunopeutta on rajoitettava.

Eräs tunnettu ratkaisu, joka mahdollistaa päällekkäiskyt-kennän, on esitetty kuvassa 2. Ratkaisussa on lisäkompo-nenteilla , L2, , Cg, ja R2 erotettu tyristori/diodi- kytkinparit toisistaan. Ratkaisu rajoittaa kuitenkin muuntajasta saatavaa tehoa, koska muuntajan kanssa sarjassa on aina jompikumpi keloista tai L2· Haitta korostuu erityisesti, jos muuttajan taajuus on suuri, jolloin muuntajien induktanssi on pieni tai tyristorit sallivat vain pienen anodijännitteen nousunopeuden, jolloin vaaditaan suuret kuristimet.

Patentissa US-3 573 597 on esitetty dc-dc-muuttajakytkentä, joka edellisistä eroten toimii ns. flyback-periaatteella. Flyback-virtalähteissä ensiökäämin johtaessa toisiokäämin diodi on estosuunnassa. Energia varastoituu ensiökäämin johtaessa muuntajan hajakenttään, josta se purkautuu toi-sioon ensiövirran katkettua. Kytkennässä on käytetty kahta 3 67640 muuntajaa, joiden avulla on toteutettu kokoaaltotasasuun-taus, koska yhdessä muuntajassa ei voi flyback-toiminnan takia käyttää kokoaaltotasasuuntausta.

Flvback-tvyppisestä toiminnasta seuraa tehollisvirtojen ja niistä johtuva tehohäviön kasvu.

Koska tyristorien rinnalla ei ole vastakkaiseen suuntaan johtavia diodeja, tyristorien yli syntyvät suuret estosuun-taiset jännitteet, jotka estävät nykyisten, nopeiden tyristorien käytön.

Tämän ongelman ratkaisemiseksi on esim. US-patentissa 3 881 146 ja DE-hakemusjulkaisussa 2 913 625 kuvan 3 mukaisesti muuntaja jaettu kahdeksi muuntajaksi ja joissa on ensiökäämit ja sekä toisiokäämit ja N22· Muuntajien ensiökäämit on kytketty sarjaan tyristorien T1 ja T2 väliin siten, että käämit korvaavat kuvan 2 induktanssit ja I^.

Muuntajien ja M2 ensiövirrat on esitetty kuvan 5 kohdissa b ja c. Toiminta on sama kuin kuvan 2 mukaisella kytkennällä ja tyristori T^ voidaan kytkeä johtamaan jo hetkellä tg. Kuvan 2 kytkentään verrattuna saavutetaan kuitenkin seuraavat edut: 1. Tyristorin yli olevan jännitteen nousunopeus rajoittuu, koska muuntajat erottavat tyristori/diodikytkinparit toisistaan.

2. Tehon saanti ei rajoitu, koska kummallakin muuntajalla on oma tasasuuntaus ilman rajoittavia sarjakompo-nentteja.

3. Tyristorien ohjaustaajuus voidaan nostaa hyvin suureksi, sillä toisen muuntajan tehonsyöttö voidaan aloittaa toisen vielä toimiessa.

4. Koska piirit ovat sarjassa oikeastaan vain toisioiden 4 67640 tasasuuntaajien jälkeisen kuorman kautta, tulevat kaikki kommutoimis- ja katkaisuvirrat hyötykäyttöön eli piirin hyötysuhde on korkea.

5. Teho jakaantuu kahdelle muuntajalle, jolloin jäähdytys paranee lisääntyneestä pinta-alasta johtuen.

Eräissä tapauksissa edellä kuvatut edut saadaan kytkennällä, jossa muuntajien ja M2 toisiot kytketään rinnan, jolloin riittää pienempi tasasuuntaajien määrä tai siten, että muuntajat tehdään samalle rungolle ja sydämelle käämimällä kaksi ensiötä ja kaksi tai yksi toisio.

Vaikka edellä kuvatussa esimerkkikytkennässä käytettiin tyris-torikytkimiä, on selvää, että tyristorien tilalla voi olla transistorit kuten esimerkiksi US-patentissa 4 017 784, jolloin ensimmäisen kytkimen virran suunnan kääntyminen ei ole välttämätöntä ennen toisen kytkimen päällekytkemistä.

Kuvan 3 kytkennässä ohjattaessa tyristori johtamaan päällekkäin toisen kytkimen kanssa nousee kodensaattoreiden ja C2 yhteisen pisteen jännitteen amplitudi arvoon, joka saattaa aiheuttaa tyristorien syttymisen ilman hilaohjausta. Samoin tyristorin yli vaikuttavan jännitteen nousunopeus saattaa kasvaa liian suureksi aiheuttaen myös itsesytytyksen.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä mainittujen tunnettujen kytkentöjen haittapuolet ja aikaansaada muuttaja, jolla on korkea hyötysuhde ja jossa puolijohdekytkimiä voidaan ohjata suurella taajuudella ilman niiden vaurioitumis-vaaraa. Tämän tavoitteen saavuttamiseksi on keksinnölle tunnusomaista, että kuumassakin muuntajassa , M2 on vielä lisäkäämi ^13' N23' on sarjassa diodin D^, Dg kanssa kytketty syöttö- jännitteen ja laitemaan väliin.

Keksintöä selostetaan seuraavassa lähemmin esimerkin muodos sa ja viitaten oheisiin piirustuksiin, joissa 6764 0 jo selostetut kuvat 1 , 2 ja 3 esittävät tunnettua tekniikkaa edustavia kytkentöjä, kuva 4 esittää esillä olevan keksinnön mukaista kytkentää, kuva 5 esittää kohdassa a kuvan 1 kytkentään liittyvää vir-takävrää ja kohdissa b ja c kuvan 3 kytkentään liittyviä virtakäyriä, ja kuva 6 esittää kuviin 3 ja 4 liittyviä jän-nitekäyriä.

Edellä kuvatut tunnetun tekniikan haitat voidaan eliminoida kuvan 4 kytkennällä, jossa kumpaankin muuntajaan on lisätty lisäkäämi N23' j°ka on kytketty diodin , Dg avul la laitemaan ja syöttöjännitteen väliin. Kytkennän toiminta on esitetty seuraavassa kuvioiden 4, 5 ja 6 avulla. Kuvassa 6 katkoviivakäyrät edustavat piiriä ilman lisäkääme-jä ja jatkuvat käyrät piiriä lisäkäämien kanssa.

Kuvassa 6a on esitetty kondensaattoreiden ja Cg yhteisessä pisteessä vaikuttava jännite Ug. Käyrä 6b kuvaa tyristorin Tg yli vaikuttavaa jännitettä Ug. Tarkastellaan aluksi piirin toimintaa ilman lisäkäämiä. Hetkellä t^ sytytetään tyristori Tg, jolloin tyristorin yli oleva jännite putoaa nollaan ja virta lähtee kasvamaan käyrän 5c mukaisesti .

Hetkellä tg diodin Dg vielä johtaessa sytytetään tyristori . Käämin yli vaikuttaa nyt yhtäkkisesti jännite U^-

Ug, joka redusoituu toisiokäämiin N^g- muuntajan muuntosuh-teen mukaisesti. Käämin N^g jännitteen nousu vaikuttaa edelleen muuntajan Mg käämin Ngg kautta muuntajan Mg käämiin Ng^, jonka yli olevaan jännitteeseen summautuu siten muuntajan käämin jännite. Käyrässä 6c ajon hetkellä tg näkyy edellä kuvattu nopea jännitteen muutos käämin Ng^ yli.

6 67640

Kytkemällä muuntajiin lisäkäämit kuvan 4 tavalla, leikkautuu käämin N21 yli oleva jännite käämin ja lisäkäämin N22 kierroslukujen suhteen määräämään arvoon. Esimerkissä kierroslukujen suhde N12^N32 = Kuvasta 6a nähdään, että lisäkäämit pienentävät jännitteen amplitudia ja kuvasta 6b nähdään lisäksi, että tyristorin yli olevan jännitteen U2 nousunopeus pienenee huomattavasti.

Claims (2)

7 67640

1. Dc-dc-muuttaja, jossa on muuntajan sisältävä resonans-sipiiri sekä ainakin kaksi vuorotellen päällekytkettävissä olevaa, resonanssipiiriä vuorovaiheisesti syöttävää puoli-johdekytkintä (T^, T2), joista kumpikin on varustettu rin-nakkaisdiodilla (D^, D2) virran suunnanvaihtoa varten kytkimessä ja jotka ovat kytketyt lisäkomponentteineen johto-suunnassa peräkkäin sisääntulevan tasajännitteen yli siten, että kummankin kytkimen (T^, T2) kanssa sarjassa on ainakin induktanssi, jotka sarjainduktanssit ovat ns. "flyback-tyyppisestä" kytkennästä tunnetulla tavalla kahtia jaetun muuntajan (M^ , M2) ensiökäämejä (N^ , N^), jolloin puoli-johdekytkimien läpi menevälle virralle on järjestetty virtatie, joka lähtee mainittujen ensiökäämien välisestä pisteestä pisteeseen, joka on kahden jakokondensaattorin (C.j , C2) kautta yhdistetty syöttö jännitteen napoihin, ja jolloin muuntajien toisiot (N.^, N22) on kytketty tasasuuntaajien (Dg-Dg) kautta kuormaan (R^) ja muuntajien (M.| , M2) polariteetit on järjestetty niin, että kytkentä toimii ns. "forward-periaatteella" tunnettu siitä, että kummassakin muuntajassa (M^, M2) on vielä lisäkäämi (N13' N23^ ' on sarjassa diodin (D^, Dg) kanssa kytket ty syöttöjännitteen ja laitemaan väliin.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen muuttaja, tunnet-t u siitä, että muuntajat (M^, M2) on käämitty samalle rungolle.