RU2095927C1

RU2095927C1 - Commutator for direct voltage converter

Info

Publication number: RU2095927C1
Application number: RU95102239A
Authority: RU
Inventors: Андрей Васильевич Щукин
Original assignee: Андрей Васильевич Щукин
Priority date: 1995-02-17
Filing date: 1995-02-17
Publication date: 1997-11-10
Also published as: RU95102239A

Abstract

FIELD: electric engineering. SUBSTANCE: device has transistor, reverse diode, and non-linear delay choke. Collector-emitter circuit of transistor, non-linear delay choke and primary winding of non- linear switching transformer are connected in series. One terminal of switching diode is connected to same terminal of reverse diode. Second terminal of switching diode is connected to terminal of secondary winding of switching transformer. Second terminal of switching transformer is connected to second terminal of reverse diode. Terminals of windings of non-linear switching transformer are connected to other elements of device in order to achieve alignment of current direction through transistor and primary winding and direct current direction through switching diode and secondary winding. EFFECT: increased functional capabilities. 2 dwg

Description

Изобретение относится к преобразовательной технике, в частности к преобразователям постоянного напряжения понижающего, повышающего и реверсивного типов. The invention relates to a conversion technique, in particular to DC-DC converters of step-down, step-up and reverse types.

Известен коммутатор для преобразователей постоянного напряжения понижающего, повышающего и реверсивного типов, содержащий транзистор и обратный диод [1]
Недостатками такого коммутатора являются низкие КПД и надежность, что связано с тем, что режим включения транзистора в таком коммутаторе не является оптимальным. Во-первых, из-за отсутствия в схеме элементов, ограничивающих скорость нарастания тока через транзистор, при включении транзистора ток коллектора оказывается слишком большим в то время, когда напряжение на коллекторном переходе не успело снизиться до достаточно малого значения. Мгновенная мощность на коллекторном переходе транзистора оказывается слишком большой, что увеличивает нагрев транзистора и повышает вероятность его отказа. Во-вторых, в момент времени, следующий за моментом включения, транзистор оказывается замкнутым на контур короткого замыкания, который в схеме преобразователя включает в себя источник питания, транзистор и еще незапертый обратный диод, в схеме преобразователя повышающего типа нагрузку (нагрузка, в частности, может представлять собой источник ЭДС), транзистор и еще незапертый обратный диод, в схеме преобразователя реверсивного типа источник питания, нагрузку (нагрузка, в частности, может представлять собой источник ЭДС или цепь короткого замыкания), транзистор и еще незапертый обратный диод. Этот фактор также снижает КПД и повышает вероятность отказа транзистора.Known switch for DC voltage converters step-down, step-up and reverse types, containing a transistor and a reverse diode [1]
The disadvantages of such a switch are low efficiency and reliability, due to the fact that the mode of switching on the transistor in such a switch is not optimal. Firstly, due to the absence of elements in the circuit that limit the rate of rise of the current through the transistor, when the transistor is turned on, the collector current turns out to be too high at a time when the voltage at the collector junction did not manage to decrease to a sufficiently small value. The instantaneous power at the collector junction of the transistor is too large, which increases the heating of the transistor and increases the likelihood of its failure. Secondly, at the time following the moment of switching on, the transistor turns out to be closed to a short circuit, which in the converter circuit includes a power source, a transistor and an unlocked reverse diode, in the converter circuit increasing the load type (load, in particular, can be a source of EMF), a transistor, and a non-locked reverse diode, in the circuit of a converter of a reversible type, a power source, a load (the load, in particular, can be a source of EMF or a short circuit short circuit), a transistor and a still unlocked reverse diode. This factor also reduces efficiency and increases the likelihood of transistor failure.

Известен также коммутатор, содержащий кроме транзистора и обратного диода нелинейный задерживающий дроссель, а также цепь рассеивания или рекуперации его реактивной мощности [2]
В таком коммутаторе скорость нарастания тока через транзистор при его включении ограничивается задерживающим дросселем, благодаря чему уменьшается мгновения мощность на коллекторном переходе в момент включения. Это, однако, не приводит к замкнутому повышению надежности коммутатора, т.к. от момента насыщения задерживающего дросселя до моменты запирания обратного диода через транзистор протекает ток короткого замыкания по цепи, включающей в себя в преобразователе понижающего типа источник питания, открытый транзистор, насыщенный задерживающий дроссель и еще незапертый обратный диод, в преобразователе повышающего типа нагрузку (возможно, представляющую собой источник ЭДС), открытый транзистор, насыщенный задерживающий дроссель и еще незапертый обратный диод, в преобразователе реверсивного типа источник питания, нагрузку (возможно, представляющую собой источник ЭДС или цепь короткого замыкания), открытый транзистор, насыщенный задерживающий дроссель и еще незапертый обратный диод.Also known is a commutator containing, in addition to a transistor and a reverse diode, a nonlinear delay choke, as well as a dispersion or recovery circuit for its reactive power [2]
In such a switch, the rate of increase of the current through the transistor when it is turned on is limited by a delay choke, which reduces the instantaneous power at the collector junction at the time of switching on. This, however, does not lead to a closed increase in the reliability of the switch, because from the moment of saturation of the delayed inductor to the moment the reverse diode closes, a short circuit current flows through the transistor through a circuit that includes a power source in the step-down converter, an open transistor, a saturated delayed choke, and a non-locked reverse diode, in the load-increasing converter (possibly representing a source of EMF), an open transistor, a saturated delayed choke and a still unlocked reverse diode, in a converter of a reversible type, a power source, heating short circuit (possibly representing an EMF source or a short circuit), an open transistor, a saturated delay choke, and an unlocked reverse diode.

Основной задачей изобретения является повышение надежности коммутатора путем исключения тока короткого замыкания через транзистор. Решение основной задачи изобретения достигается введением в схему коммутатора нелинейного коммутирующего трансформатора, коммутирующего диода и цепей рассеяния или рекуперации энергии, накопленной остаточными индуктивностями задерживающего дросселя и коммутирующего трансформатора. The main objective of the invention is to increase the reliability of the switch by eliminating the short circuit current through the transistor. The solution to the main problem of the invention is achieved by introducing into the switch circuit a non-linear switching transformer, a switching diode and circuits for dissipating or recovering the energy accumulated by the residual inductances of the delaying inductor and the switching transformer.

На фиг.1а,б,в представлены схемы коммутатора, включенные в состав преобразователей постоянного напряжения соответственно понижающего, повышающего и реверсивного типов; на фиг.2 а,б,в,г,д,е,ж,и диаграммы, поясняющие принцип работы коммутатора. On figa, b, c presents the circuit switch included in the composition of the DC voltage converters, respectively, lowering, raising and reversing types; figure 2 a, b, c, d, d, e, g, and diagrams explaining the principle of operation of the switch.

Коммутатор 1 (см. фиг.1а, б, в) содержит транзистор 2, обратный диод 3, нелинейный задерживающий дроссель 4, нелинейный коммутирующий трансформатор 5, имеющий первичную 6 и вторичную 7 обмотки, коммутирующий диод 8, а также цепь рассеивания или рекуперации реактивной мощности остаточных индуктивностей задерживающего дросселя и коммутирующего трансформатора (на схемах не показана). Преобразователи постоянного напряжения понижающего (фиг.1а), повышающего (фиг. 1б) и реверсивного (фиг.1в) типов содержат также входные 9, 10 и выходные 11, 12 клеммы, линейный дроссель 13 и устройство управления 14. The switch 1 (see figa, b, c) contains a transistor 2, a reverse diode 3, a nonlinear delay choke 4, a nonlinear switching transformer 5 having a primary 6 and secondary 7 windings, a switching diode 8, as well as a reactive dispersion or recovery circuit power of residual inductances of the delaying inductor and switching transformer (not shown in the diagrams). DC-DC converters step-down (figa), step-up (Fig. 1b) and reverse (figv) types also contain input 9, 10 and output 11, 12 terminals, a linear inductor 13 and a control device 14.

Поясним принцип работы коммутатора в составе преобразователя постоянного напряжения понижающего типа (фиг.1а). Let us explain the principle of operation of the switch as part of a DC-DC converter of step-down type (figa).

Импульсы управления (см.фиг.2а) транзистором 2 генерируются устройством управления 14. В интервалы времени t<t₁ и t>t₄ (см. фиг.2) транзистор 2 закрыт, ток нагрузки замыкается через линейный дроссель 13 и обратный диод 3.The control pulses (see Fig. 2a) by the transistor 2 are generated by the control device 14. At the time intervals t <t ₁ and t> t ₄ (see Fig. 2), the transistor 2 is closed, the load current is closed via a linear inductor 13 and a reverse diode 3 .

Начиная с момента времени t₁, когда в базу транзистора 2 подается импульс управления и направления и напряжение между базой и эмиттером U_бэ (см. фиг. 2а) становится положительным, напряжение между коллектором и эмиттером U_кэ (см. фиг.2б) быстро снижается до значения, близкого к нулю. В то же время ток нагрузки i_н (см. фиг.2и) продолжает протекать через обратный диод 3 (ток i_д на фиг.2е), и напряжение на нем близко к нулю. Ток намагничивая задерживающего дросселя 4, являющийся одновременно током коллектора i_к транзистора 2, замыкается через первичную обмотку 6 коммутирующего трансформатора 5 и открытый обратный диод 3 встречно току нагрузки и трансформируется во вторичную обмотку 7. Ток вторичной обмотки 7 протекает через коммутирующий диод 8 и открытый обратный диод 3 встречно току нагрузки. Напряжение на вторичной 7, а, следовательно, и на первичной 6 обмотках коммутирующего трансформатора 5 при этом близко к нулю (напряжение U_к на фиг. 2г). Следовательно, после отпирания транзистора 2 напряжение источника питания U_вх целиком прикладывается к задерживающему дросселю 4 (напряжение U₃ на фиг. 2в). Ток коллектора (он же ток намагничивания задерживающего дросселя 4) при этом нарастает линейно (см фиг.2ж). Через обратный диод 3 протекает ток
i_д i_н i_к i_кд
где i_кд ток вторичной обмотки 7 коммутирующего трансформатора 5. Коэффициент трансформации коммутирующего трансформатора целесообразно выбрать меньшим 1. Диаграммы фиг.2 построены для случая, когда коэффициент трансформации равен 1/2. В момент времени t₂, когда сумма токов i_к и i_кд сравнивается с i_н, ток i_д через обратный диод 3 прекращается. В тот же момент напряжение U_к на коммутирующем трансформаторе 5 становится отличным от нуля (см. фиг. 2г), а напряжение U₃ на задерживающем дросселе 4 становится равным разности напряжений источника питания U_вх и U_к (см. фиг. 2в). В течение промежутка времени t₂<t<t₃ ток нагрузки i_н, протекающий через линейный дроссель 13, складывается из токов коллектора транзистора i_к и коммутирующего диода i_кд, сходящихся в одном узле. Линейный дроссель 13 имеет очень большую индуктивность и является параметрическим источником тока несоизмеримо большей мощности, чем нелинейные задерживающий дроссель 4 и коммутирующий трансформатор 5, поэтому в некоторый момент времени t₃ задерживающий дроссель 4 и коммутирующий трансформатор 5 насыщаются током линейного дросселя 13, их индуктивности уменьшаются практически до нуля, трансформация тока во вторичную обмотку 7 коммутирующего трансформатора 5 прекращается, и весь ток нагрузки i_н замыкается через его первичную обмотку 6, задерживающий дроссель 4 и транзистор 2.Starting at time t ₁ , when a control and direction pulse and a voltage between the base and emitter U _be (see Fig. 2a) are supplied to the base of transistor 2, the voltage between the collector and emitter U _ke (see Fig. 2b) quickly decreases to a value close to zero. At the same time, the load current i _n (see Fig.2i) continues to flow through the return diode 3 (current i _d in Fig.2e), and the voltage across it is close to zero. The magnetizing current of the delaying inductor 4, which is also the collector current i _{to the} transistor 2, closes through the primary winding 6 of the switching transformer 5 and the open reverse diode 3 is opposed to the load current and is transformed into the secondary winding 7. The current of the secondary winding 7 flows through the switching diode 8 and the open reverse diode 3 is opposed to the load current. The voltage on the secondary 7, and, consequently, on the primary 6 windings of the switching transformer 5, is thus close to zero (voltage U _k in Fig. 2d). Therefore, after the transistor 2 is turned on, the voltage of the power supply U _{input is} entirely applied to the delay choke 4 (voltage U ₃ in Fig. 2c). The collector current (it is the magnetization current of the delaying inductor 4) increases linearly (see fig.2zh). Current flows through reverse diode 3
i _d i _n i _k i _cd
where i _{cd is the} current of the secondary winding 7 of the switching transformer 5. It is advisable to select the transformation coefficient of the switching transformer to be less than 1. The diagrams of Fig. 2 are constructed for the case when the transformation coefficient is 1/2. At time t ₂ , when the sum of the currents i _k and i _{cd is} compared with i _n , the current i _d through the reverse diode 3 stops. At the same time, the voltage U _k at the switching transformer 5 becomes non-zero (see Fig. 2d), and the voltage U ₃ at the delay choke 4 becomes equal to the voltage difference of the power supply U _in and U _k (see Fig. 2c). During the period of time t ₂ <t <t ₃ , the load current i _n flowing through the linear inductor 13 is composed of the collector currents of the transistor i _k and the switching diode i _cd converging in one node. Line choke 13 has a very large inductance and is a parametric current source of incomparably greater power than non-linear delay choke 4 and switching transformer 5, so at some point in time t _{3 the} delay choke 4 and switching transformer 5 are saturated with the current of linear choke 13, their inductances decrease practically to zero, the transformation of the current in the secondary winding of the switching transformer 7 5 is stopped, and all the load current i _n closes through its primary winding 6, ass rzhivayuschy choke 4 and transistor 2.

Таким образом, после отпирания транзистора благодаря наличию нелинейного коммутирующего трансформатора и коммутирующего диода до тех пор, пока обратный диод не заперт, через транзистор протекает лишь медленно нарастающий ток намагничивания нелинейного задерживающего дросселя, нелинейный задерживающий дроссель насыщается и транзистор принимает на себя ток нагрузки только после запирания обратного диода, чем исключается возможность протекания тока короткого замыкания через транзистор и незапертый обратный диод, следовательно достигается цель изобретения. Thus, after the transistor is unlocked due to the presence of a nonlinear switching transformer and a switching diode until the reverse diode is locked, only a slowly increasing magnetization current of the nonlinear delayed choke flows through the transistor, the nonlinear delayed choke saturates and the transistor takes on the load current only after locking reverse diode, which excludes the possibility of a short circuit current flowing through the transistor and an unlocked reverse diode, therefore the purpose of the invention.

В момент времени t₄ устройство управления 14 запирает транзистор 2, после чего энергия, накопленная остаточными индуктивностями задерживающего дросселя 4 и коммутирующего трансформатора 5, рассеивается или рекуперируется предназначенными для этого цепями, которые на схемах фиг.1а, б, в не показаны.At time t ₄ , the control device 14 locks the transistor 2, after which the energy accumulated by the residual inductances of the delay choke 4 and the switching transformer 5 is dissipated or recuperated by the circuits intended for this, which are not shown in the diagrams of figa, b.

Подобным же образом коммутатор работает в схемах преобразователей постоянного напряжения повышающего (фиг.1б) и реверсивного (фиг.1в) типов. Следует лишь учесть, что в схеме преобразователя повышающего типа напряжения U_кэ на интервале времени t<t₁ и U₃ на интервале времени t₁<t<t₂ равны ЭДС нагрузки, а в схеме преобразователя реверсивного типа разности напряжения источника питания и ЭДС нагрузки. Следует также иметь в виду, что диаграммы токов нагрузки в этих схемах будут другими.Similarly, the switch operates in the DC-DC converters of boost (fig.1b) and reverse (figv) types. It should only be taken into account that in the converter circuit of the step-up voltage type U _ke at the time interval t <t ₁ and U ₃ at the time interval t ₁ <t <t _{2 the} EMF of the load is equal, and in the converter circuit of the reverse-type converter, the differences of the voltage of the power supply and the EMF of the load . It should also be borne in mind that the diagrams of load currents in these schemes will be different.

Claims

A switch for a DC / DC converter, comprising a transistor, a reverse diode and a non-linear delay choke, characterized in that a non-linear switching transformer, a switching diode and circuits for dissipating or recovering energy accumulated by the residual inductances of the delay choke and the switching transformer are introduced into it, the collector-emitter circuit a transistor, a non-linear delay choke and the primary winding of a non-linear switching transformer are connected in series, about the output terminal of the switching diode is connected to the terminal of the same name as the reverse diode, the second terminal of the switching diode is connected to one terminal of the secondary winding of the switching transformer, the other terminal of which is connected to the second terminal of the reverse diode, the terminals of the windings of the nonlinear switching transformer are connected to the remaining elements of the device so that the permitted direction the current through the transistor and the primary winding corresponds to the forward direction of the current through the switching diode and the secondary winding.