RU2147157C1

RU2147157C1 - Transistor converter

Info

Publication number: RU2147157C1
Application number: RU98118097A
Authority: RU
Inventors: В.Н. Алешин; О.Г. Копылов; А.Б. Апаров; М.А. Апаров; Б.А. Попов
Original assignee: Акционерное общество "Позит" (Правдинский опытный завод источников тока)
Priority date: 1998-10-06
Filing date: 1998-10-06
Publication date: 2000-03-27

Abstract

FIELD: electrical engineering; DC-to-DC voltage changers. SUBSTANCE: converter has two transistors 14, 15, four diodes 10 through 13, output transformer 5 with primary winding assembled of two half-windings 6, 7 and connected to collectors of transistors 14, 15, secondary winding 8, and auxiliary winding 9 that functions as control winding whose leads are connected to bases of transistors 14, 15. It also has capacitor 16 inserted between emitters of transistors 14, 15 and center tap of auxiliary winding 9. Transistors 14, 15 are changed over by means of auxiliary winding 9; voltage across capacitor 16 is applied to base of transistor being cut off to speed up the process. EFFECT: reduced dynamic loss in converter transistors and general losses. 1 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в транзисторных конверторах, преобразующих постоянное напряжение одного уровня в постоянное напряжение другого уровня, применяемых преимущественно в автономных установках электропитания. The invention relates to electrical engineering and can be used in transistor converters that convert a constant voltage of one level to a constant voltage of another level, used mainly in stand-alone power supply installations.

Известен двухтактный транзисторный конвертор, содержащий входные и выходные выводы, выходной трансформатор с первичной и вторичной обмотками, два диода и два транзистора, коллекторы которых присоединены к концам первичной обмотки выходного трансформатора, отвод от средней точки первичной обмотки подключен к одному входному выводу, соединенному с первым выходным выводом, второй входной вывод присоединен к эмиттерам транзисторов, а базы транзисторов присоединены к отводам, подключенным к виткам, отстоящим от концов вторичной обмотки выходного трансформатора, которые через диоды присоединены ко второму выходному выводу (см. патент США N 3348119, кл. 363-22, оп. 1967). В известном транзисторном конверторе в качестве управляющей переключением транзисторов обмотки используется часть вторичной обмотки, отводы которой присоединены к базам транзисторов и расположены симметрично относительно центра вторичной обмотки, и для выпрямления используются диоды и переходы база-коллектор в транзисторах. Known push-pull transistor converter containing input and output terminals, an output transformer with primary and secondary windings, two diodes and two transistors, the collectors of which are connected to the ends of the primary winding of the output transformer, the tap from the midpoint of the primary winding is connected to one input terminal connected to the first output terminal, the second input terminal is connected to the emitters of the transistors, and the base of the transistors are connected to the taps connected to the turns located at the ends of the secondary winding Khodnev transformer which are connected via diodes to the second output terminal (see. U.S. Patent N 3348119, Cl. 363-22, op. 1967). In the known transistor converter, a part of the secondary winding is used as the control switch for the transistors of the winding, the taps of which are connected to the bases of the transistors and are located symmetrically with respect to the center of the secondary winding, and base-collector diodes and transitions in the transistors are used for rectification.

Недостатком известного транзисторного конвертора являются большие потери в процессе преобразования, обусловленные высокими динамическими потерями в транзисторах, и значительные габариты и вес. Вторичная обмотка выходного трансформатора выполняется в виде полуобмоток, каждая из которых в процессе полного периода взаимного переключения транзисторов работает только в течение полупериодa, что приводит к увеличению габаритов и массы трансформатора, а следовательно, и всего транзисторного конвертора. A disadvantage of the known transistor converter is the large losses in the conversion process due to high dynamic losses in the transistors, and significant dimensions and weight. The secondary winding of the output transformer is made in the form of semi-windings, each of which during the full period of mutual switching of transistors only works for half a period, which leads to an increase in the dimensions and mass of the transformer, and therefore the entire transistor converter.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному является транзисторный конвертор, содержащий входные и выходные выводы, выходной трансформатор с первичной и вторичной обмотками, четыре диода и два транзистора, коллектор каждого из которых соединен с соответствующим концом первичной обмотки выходного трансформатора, база каждого из транзисторов соединена с первым выходным выводом через цепочку из двух согласно-последовательно соединенных диодов, средняя точка которой подключена к соответствующему концу вторичной обмотки выходного трансформатора, эмиттеры транзисторов соединены с первым входным выводом, при этом второй входной вывод подключен к отводу от средней точки первичной обмотки выходного трансформатора и соединен сo вторым выходным выводом (см. Апаров А.Б., Еременко В.Г., Негневицкий И.Б. Транзисторные преобразователи для низковольтных источников энергии.- М.: Энергия, с. 17, рис. 1.8б). В известном транзисторном конверторе в качестве управляющей обмотки используется часть вторичной обмотки выходного трансформатора, которая подключена к базам транзисторов. The closest in technical essence to the claimed one is a transistor converter containing input and output terminals, an output transformer with primary and secondary windings, four diodes and two transistors, the collector of each of which is connected to the corresponding end of the primary winding of the output transformer, the base of each of the transistors is connected to the first output terminal through a chain of two sequentially connected diodes, the midpoint of which is connected to the corresponding end of the secondary winding the bottom of the transformer, the emitters of the transistors are connected to the first input terminal, while the second input terminal is connected to the tap from the midpoint of the primary winding of the output transformer and connected to the second output terminal (see Aparov A.B., Eremenko V.G., Negnevitsky I. B. Transistor converters for low-voltage energy sources. - M.: Energy, p. 17, Fig. 1.8b). In the known transistor converter, a part of the secondary winding of the output transformer, which is connected to the bases of the transistors, is used as a control winding.

Недостатком известного транзисторного конвертора являются сравнительно большие потери энергии, обусловленные высокими динамическими потерями в транзисторах, что приводит к соответствующему снижению коэффициента полезного действия конверторa. Высокие динамические потери в транзисторах известного конвертора определяются отсутствием активного их запирания в процессе переключения вследствие медленного нарастания запирающего напряжения на управляющей обмотке выходного трансформатора. В известном конверторе при переключении транзистора замедляются процессы рассасывания неосновных носителей в области базы транзистора, что вызывает увеличение времени спадания коллекторного тока и соответствующее замедление нарастания напряжения на транзисторе, приводящее к увеличению динамических потерь. A disadvantage of the known transistor converter is the relatively large energy loss due to high dynamic losses in the transistors, which leads to a corresponding decrease in the efficiency of the converter. High dynamic losses in the transistors of the known converter are determined by the absence of their active locking during the switching process due to the slow rise of the blocking voltage on the control winding of the output transformer. In the known converter, when the transistor is switched, the processes of minority carrier resorption in the base region of the transistor are slowed down, which causes an increase in the decay time of the collector current and a corresponding slowdown in the voltage rise across the transistor, leading to an increase in dynamic losses.

Задачей изобретения является уменьшение потерь в транзисторном конверторе за счет снижения динамических потерь в его транзисторах. The objective of the invention is to reduce losses in a transistor converter by reducing dynamic losses in its transistors.

Решение поставленной задачи обеспечивается в заявленном транзисторном конверторе, содержащем входные и выходные выводы, выходной трансформатор с первичной, вторичной и дополнительной обмотками, четыре диода и два транзистора, коллектор каждого из которых соединен с соответствующим концом первичной обмотки выходного трансформатора, базa каждого из транзисторов соединена с первым выходным выводом через цепочку из двух согласно-последовательно соединенных диодов, средняя точка которой подключена к соответствующему концу вторичной обмотки выходного трансформатора, эмиттеры транзисторов соединены с первым входным выводом, второй входной вывод подключен к отводу от средней точки первичной обмотки выходного трансформатора и соединен сo вторым выходным выводом, и конденсатор, один вывод которого соединен с эмиттерами транзисторов, а другой - с отводом от средней точки дополнительной обмотки выходного трансформатора, концы которой подключены к базам транзисторов, при этом предпочтительно отношение количества витков дополнительной обмотки к количеству витков первичной обмотки обеспечивает напряжение на дополнительной обмотке выходного трансформатора, которое не превышает величины предельно допустимого напряжения на переходе база-эмиттер транзистора. The solution to this problem is provided in the claimed transistor converter containing input and output terminals, an output transformer with primary, secondary and additional windings, four diodes and two transistors, the collector of each of which is connected to the corresponding end of the primary winding of the output transformer, the base of each of the transistors is connected to the first output terminal through a chain of two sequentially connected diodes, the midpoint of which is connected to the corresponding end of the secondary the sides of the output transformer, the emitters of the transistors are connected to the first input terminal, the second input terminal is connected to the tap from the midpoint of the primary winding of the output transformer and connected to the second output pin, and a capacitor, one terminal of which is connected to the emitters of the transistors, and the other to the tap from the middle points of the additional winding of the output transformer, the ends of which are connected to the bases of the transistors, while the ratio of the number of turns of the additional winding to the number of turns is primary winding provides a voltage at the secondary winding of the output transformer, which does not exceed the maximum permissible voltage across the base-emitter junction of the transistor.

Введение в транзисторный конвертор дополнительной обмотки с оптимальным количеством витков, концы которой подключены к базам транзисторов и конденсатора, один вывод которого подключен к отводу от средней точки этой обмотки, а другой - к эмиттерам транзисторов, позволяет существенно уменьшить динамические потери в транзисторах конвертора. В процессе переключения транзисторов напряжение на конденсаторе оказывается приложенным к базе закрывающегося транзистора в запирающем направлении. При этом через переход эмиттер-база этого транзистора начинает протекать разрядный ток конденсатора, который ускоряет процесс рассасывания неосновных носителей в области базы. Таким образом, введение конденсатора способствует активному запиранию транзистора. В результате этого скорость спада коллекторного тока запирающегося транзистора резко увеличивается, что позволяет существенно снизить динамические потери в транзисторах, которые составляет значительную часть (особенно на высоких частотах, например в десятки кГц) от общих потерь транзисторного конвертора. Дополнительная обмотка выходного трансформатора в заявленном транзисторном конверторе выполняет функцию управляющей обмотки и предназначена только для переключения транзисторов, и поэтому токи, проходящие через нее, невелики. Соответственно дополнительная обмотка может быть изготовлена из привода малого диаметра. Подключение одного вывода конденсатора к эмиттерам транзисторов, а другого - именно к средней точке дополнительной обмотки выходного трансформатора позволяет обеспечить симметрию воздействия напряжения конденсатора на базы переключаемых транзисторов и тем самым упростить схему переключения в конверторе. Напряжение на дополнительной обмотке, пропорциональное количеству ее витков и коэффициенту трансформации по отношению к первичной обмотке, должно быть достаточным для надежного запирания транзистора. В современных биполярных транзисторах надежное запирание обеспечивается при напряжениях порядка 2-4 B. С другой стороны, это напряжение не должно превышать предельно допустимого обратного напряжения на переходе база-эмиттер закрытого транзистора. Поэтому отношение количества витков дополнительной обмотки к количеству витков первичной обмотки выходного трансформатора целесообразно выбирать из условия обеспечения напряжения на дополнительной обмотке, не превышающего предела допустимой величины обратного напряжения на переходе база-эмиттер транзистора. The introduction into the transistor converter of an additional winding with the optimal number of turns, the ends of which are connected to the bases of transistors and a capacitor, one output of which is connected to the tap from the midpoint of this winding, and the other to the emitters of the transistors, can significantly reduce the dynamic losses in the transistors of the converter. In the process of switching transistors, the voltage across the capacitor is applied to the base of the closing transistor in the locking direction. In this case, the discharge current of the capacitor begins to flow through the emitter-base junction of this transistor, which accelerates the process of resorption of minority carriers in the base region. Thus, the introduction of a capacitor contributes to the active locking of the transistor. As a result of this, the collector current decay rate of the lock-up transistor increases sharply, which significantly reduces the dynamic losses in transistors, which make up a significant part (especially at high frequencies, for example, tens of kHz) of the total losses of the transistor converter. The additional winding of the output transformer in the claimed transistor converter performs the function of a control winding and is intended only for switching transistors, and therefore the currents passing through it are small. Accordingly, the additional winding can be made of a small diameter drive. Connecting one output of the capacitor to the emitters of transistors, and the other - precisely to the midpoint of the additional winding of the output transformer allows you to ensure symmetry of the effect of the voltage of the capacitor on the base of the switched transistors and thereby simplify the switching circuit in the converter. The voltage on the additional winding, proportional to the number of its turns and the transformation ratio with respect to the primary winding, must be sufficient for reliable locking of the transistor. In modern bipolar transistors, reliable locking is provided at voltages of the order of 2-4 V. On the other hand, this voltage should not exceed the maximum permissible reverse voltage at the base-emitter junction of a closed transistor. Therefore, it is advisable to choose the ratio of the number of turns of the additional winding to the number of turns of the primary winding of the output transformer from the condition that the voltage on the additional winding does not exceed the limit of the permissible value of the reverse voltage at the base-emitter junction of the transistor.

На чертеже представлена принципиальная электрическая схема заявленного транзисторного конвертора. The drawing shows a circuit diagram of the claimed transistor converter.

Транзисторный конвертор содержит: входные выходы 1,2, выходные выводы 3,4, выходной трансформатор 5, включающий первичную обмотку, состоящую из двух полуобмоток 6,7, вторичную обмотку 8 и дополнительную обмотку 9, четыре диода 10,11,12,13, два транзистора 14,15 и конденсатор 16, один вывод которого подключен к отводу от средней точки дополнительной обмотки 9, а другой - к эмиттерам транзисторов 14,15. The transistor converter contains: input outputs 1.2, output terminals 3.4, output transformer 5, including a primary winding consisting of two half-windings 6.7, a secondary winding 8 and an additional winding 9, four diodes 10,11,12,13, two transistors 14.15 and a capacitor 16, one terminal of which is connected to the tap from the midpoint of the additional winding 9, and the other to the emitters of transistors 14.15.

Трансформатор 5 содержит сердечник, изготавливаемый из магнитомягких материалов. Дополнительная обмотка 9 рассчитана на незначительные токи и поэтому может быть изготовлена из провода малого диаметра, например сотые-десятые доли миллиметра, при диаметрах провода в первичной 6,7 и вторичной 8 обмотках в несколько миллиметров. Транзисторный конвертор выполняется по дифференциальной схеме с обратной связью по току. Концы полуобмоток 6,7, составляющих первичную обмотку выходного трансформатора, присоединены к коллекторам транзисторов 14,15, причем ее средняя точка подключена к одному из входных выходов 2, а эмиттеры указанных транзисторов присоединены к другому входному выводу 1. База транзистора 14 подключена к первому выходному выводу 3 через цепочку, состоящую из двух согласно-последовательно соединенных диодов 10 и 11, к которому также через цепочку из двух согласно-последовательно соединенных диодов 12 и 13 подключена база другого транзистора 15, при этом второй выходной вывод 4 соединен с первым входным выводом 1. Один конец вторичной обмотки 8 подключается между диодами 10 и 11, а другой - между диодами 12 и 13. В случае использования транзисторов n-p-n типа проводимости к базам транзисторов 14,15 подключаются катоды диодов 10 и 12, a в случае использования транзисторов p-n-p типа - их аноды. Один транзисторный вывод конденсатора 16 подключен к эмиттерам транзисторов 14,15, а другой вывод - к средней точке дополнительной обмотки 9, концы которой присоединены к базам этих транзисторов. Transformer 5 contains a core made of soft magnetic materials. The additional winding 9 is designed for low currents and therefore can be made of small diameter wires, for example, hundredths to tenths of a millimeter, with wire diameters of 6.7 in the primary and 8 secondary windings of several millimeters. The transistor converter is a differential circuit with current feedback. The ends of the semi-windings 6.7 constituting the primary winding of the output transformer are connected to the collectors of transistors 14.15, with its middle point connected to one of the input outputs 2, and the emitters of these transistors connected to the other input terminal 1. The base of the transistor 14 is connected to the first output pin 3 through a chain consisting of two diodes 10 and 11 connected in series, to which also through a chain of two diodes 12 and 13 connected in series is connected the base of another transistor 15, while m the second output terminal 4 is connected to the first input terminal 1. One end of the secondary winding 8 is connected between the diodes 10 and 11, and the other between the diodes 12 and 13. In the case of transistors npn type conductivity to the bases of the transistors 14,15 connected cathodes of the diodes 10 and 12, a in the case of using pnp type transistors - their anodes. One transistor terminal of the capacitor 16 is connected to the emitters of transistors 14,15, and the other terminal is connected to the midpoint of the additional winding 9, the ends of which are connected to the bases of these transistors.

Транзисторный конвертор работает следующим образом. При подключении источника электроэнергии (не показан) к входным выводам 1,2 открывается транзистор 14, при этом напряжение источника приложено к концам полуобмоток 6,7 выходного трансформатора и уравновешивается ЭДС первичной обмотки. Полярность напряжения на дополнительной обмотке 9 такова, что транзистор 14 поддерживается в открытом состоянии, а транзистор 15 - в закрытом, при этом одновременно происходит заряд конденсатора 16 с полярностью, указанной на чертеже. Ток базы транзистора 14 замыкается по контуру: источник, подключенный к входным выводам 1,2 - переход эмиттер-база транзистора 14 - диод 10 - вторичная обмотка 8 - диод 13 - нагрузка, подключенная к выходным выводам 3,4. Переключение транзисторов 14 и 15, т.е. их коммутация, происходит при насыщении сердечника выходного трансформатора 5, при этом напряжение конденсатора 16 прикладывается к базе транзистора 14, ускоряя его запирание и уменьшая тем самым динамические потери. После переключения транзисторов 14 и 15 аналогичный процесс преобразования в конверторе повторяется, при этом напряжение конденсатора 16 прикладывается к базе транзистора 15, и затем процесс повторяется многократно. The transistor converter operates as follows. When a power source (not shown) is connected to the input terminals 1,2, the transistor 14 opens, and the voltage of the source is applied to the ends of the semi-windings of 6.7 of the output transformer and the emf of the primary winding is balanced. The voltage polarity on the additional winding 9 is such that the transistor 14 is maintained in the open state, and the transistor 15 is in the closed state, while the capacitor 16 is simultaneously charged with the polarity indicated in the drawing. The base current of the transistor 14 is closed along the circuit: the source connected to the input terminals 1,2 - the emitter-base transition of the transistor 14 - diode 10 - the secondary winding 8 - diode 13 is the load connected to the output terminals 3,4. Switching transistors 14 and 15, i.e. their switching occurs when the core of the output transformer 5 is saturated, while the voltage of the capacitor 16 is applied to the base of the transistor 14, accelerating its locking and thereby reducing dynamic losses. After switching the transistors 14 and 15, a similar conversion process in the converter is repeated, while the voltage of the capacitor 16 is applied to the base of the transistor 15, and then the process is repeated many times.

На предприятии (МЭИ, г. Москва) были изготовлены опытные образцы заявленного транзисторного конвертора, которые успешно прошли испытания. При помощи источника электроэнергии 60 Вт напряжение, поступающее на входные выводы конвертора, составляло U₁=12 B, при этом напряжение на дополнительной обмотке выходного трансформатора равнялось 4 B, а напряжение на нагрузке, подключенной к выходным выводам конвертора, составляло U₂=220 B. Коэффициент полезного действия транзисторного конвертора составлял 95,2%, в то время как КПД известного конвертора с аналогичными параметрами преобразуемой мощности и напряжения равнялся 90%.At the enterprise (MPEI, Moscow), prototypes of the claimed transistor converter were manufactured, which were successfully tested. Using a 60 W electric source, the voltage supplied to the input terminals of the converter was U ₁ = 12 B, while the voltage at the additional winding of the output transformer was 4 V, and the voltage at the load connected to the output terminals of the converter was U ₂ = 220 V The efficiency of the transistor converter was 95.2%, while the efficiency of the known converter with the same parameters of the converted power and voltage was 90%.

Таким образом, в сравнении с известными транзисторными конверторами заявленный конвертор позволил более чем в два раза снизить потери в процессе преобразования. Thus, in comparison with the known transistor converters, the inventive converter allowed more than halving the losses during the conversion process.

Claims

A transistor converter containing input and output terminals, an output transformer with primary and secondary windings, four diodes and two transistors, the collector of each of which is connected to the corresponding end of the primary winding of the output transformer, the base of each of the transistors is connected to the first output terminal through a chain of two according to - sequentially connected diodes, the midpoint of which is connected to the corresponding end of the secondary winding of the output transformer, the emitters of the transistors are connected to the first output terminal, while the second input terminal is connected to the tap from the midpoint of the primary winding of the output transformer and connected to the second output terminal, characterized in that a capacitor and an additional winding of the output transformer are inserted into it, the ends of which are connected to the transistor bases, and the tap from it midpoint through a capacitor is connected to the emitters of transistors, and the ratio of the number of turns of the additional winding to the number of turns of the primary winding provides voltage to the additional winding output transformer, whose magnitude does not exceed the permissible reverse voltage across the base-emitter junction of the transistor.