RU2438226C1

RU2438226C1 - Transistor chopper

Info

Publication number: RU2438226C1
Application number: RU2010139599/07A
Authority: RU
Inventors: Александр Дмитриевич Ильинский (RU); Александр Дмитриевич Ильинский
Priority date: 2010-09-28
Filing date: 2010-09-28
Publication date: 2011-12-27

Abstract

FIELD: electricity. ^ SUBSTANCE: transistor chopper made as per bridge circuit and containing both in upper and lower arm the transistor shunted with chain of in-series connected capacitors and diode, throttle semi-winding connected in series with transistor, bypass diode connected anti-parallel to transistor and auxiliary power supply and connected between opposite armatures of capacitors is equipped with additional diode connected in non-conducting direction relative to power source. Diode and transistor of each arm are connected in conducting direction relative to power source. Diodes of chains of upper and lower arms are connected to opposite power electrode of the corresponding transistors between which in-series connected semi-windings of throttle are connected. Throttle is equipped with additional winding connected to power supply through additional diode. ^ EFFECT: simplifying chopper cooling system. ^ 1 dwg

Description

Заявляемое техническое решение относится к электротехнике, преимущественно к преобразовательным установкам электроприводов малой и средней мощности.The claimed technical solution relates to electrical engineering, mainly to converting installations of electric drives of small and medium power.

В состав современных преобразователей для электроприводов с машинами переменного тока входит инвертор, выполняемый, как правило, с использованием транзисторов.The structure of modern converters for electric drives with AC machines includes an inverter, which is usually performed using transistors.

Известно техническое решение [1], согласно которому транзисторный инвертор, выполненный по мостовой схеме (однофазной или трехфазной) содержит в каждом плече транзистор, шунтированный цепочкой из последовательно соединенных конденсатора и диода, причем диод и транзистор включены согласно относительно основного источника питания (звена постоянного тока), дроссель, включенный последовательно с транзистором и возвратный диод. Недостатком этого технического решения является наличие повышенных динамических потерь при переключении транзисторов.A technical solution is known [1], according to which a transistor inverter made according to a bridge circuit (single-phase or three-phase) contains in each arm a transistor shunted by a chain of series-connected capacitor and diode, and the diode and transistor are connected according to relative to the main power source (DC link) ), a choke connected in series with the transistor and a return diode. The disadvantage of this technical solution is the presence of increased dynamic losses when switching transistors.

Известен мостовой транзисторный инвертор [2], схема которого содержит в каждом плече транзистор, шунтированный цепочкой из последовательно соединенных конденсатора и диода. В схеме имеется вспомогательный источник питания, включенный между разноименными обкладками вышеупомянутых конденсаторов. При этом диоды вышеупомянутых цепочек верхнего и нижнего плеч подключены к разноименным силовым электродам соответствующих транзисторов, между которыми включены дроссели, а возвратные диоды подключены непосредственно к транзисторам. Недостатком этого технического решения является наличие повышенных потерь мощности в коммутационной цепи.Known bridge transistor inverter [2], the circuit of which contains in each arm a transistor, shunted by a chain of series-connected capacitor and diode. The circuit has an auxiliary power source connected between the opposite plates of the aforementioned capacitors. In this case, the diodes of the above chains of the upper and lower arms are connected to the opposite electrodes of the respective transistors, between which chokes are connected, and the return diodes are connected directly to the transistors. The disadvantage of this technical solution is the presence of increased power losses in the switching circuit.

Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в повышении КПД инвертора за счет уменьшения потерь мощности в коммутационной цепи.The problem to which the claimed technical solution is directed is to increase the efficiency of the inverter by reducing power losses in the switching circuit.

Достигаемый технический результат заключается в упрощении системы охлаждения инвертора.The technical result achieved is to simplify the inverter cooling system.

Технический результат достигается за счет того, что транзисторный инвертор, выполненный по мостовой схеме и содержащий как в верхнем, так и в нижнем плече транзистор, шунтированный цепочкой из последовательно соединенных конденсатора и диода, включенную последовательно с транзистором полуобмотку дросселя, подключенный встречно параллельно транзистору возвратный диод и включенный между разноименными обкладками конденсаторов вспомогательный источник питания, снабжен подключенным в непроводящем направлении относительно источника питания дополнительным диодом. Диод и транзистор каждого плеча включены в проводящем направлении относительно источника питания. Диоды цепочек верхнего и нижнего плеч подключены к разноименным силовым электродам соответствующих транзисторов, между которыми включены последовательно соединенные полуобмотки дросселя. Дроссель снабжен дополнительной обмоткой, подключенной к источнику питания через дополнительный диод.The technical result is achieved due to the fact that the transistor inverter, made according to the bridge circuit and containing both in the upper and lower arms, a transistor shunted by a chain of series-connected capacitor and diode, a half-winding of the inductor connected in series with the transistor, a return diode connected in parallel with the transistor and an auxiliary power source connected between the opposite plates of the capacitors is provided with a non-conductive connection with respect to the source Tania additional diode. The diode and transistor of each arm are included in the conductive direction relative to the power source. The diodes of the chains of the upper and lower arms are connected to the unlike power electrodes of the respective transistors, between which the half-windings of the inductor are connected in series. The inductor is equipped with an additional winding connected to the power source through an additional diode.

Сущность технического решения поясняется схемой, представленной на чертеже.The essence of the technical solution is illustrated by the diagram shown in the drawing.

Транзисторный инвертор содержит в своей фазе последовательно соединенные транзисторы 1 и 2, параллельно которым включены обратные диоды 3 и 4. В цепь транзисторов включен двухобмоточный дроссель 5, в средней точке первичной обмотки 6 которого сделан вывод. Дополнительная обмотка 7 дросселя 5 через диод 8 подключена к источнику питания 9. Цепь каждого из транзисторов зашунтирована последовательной цепочкой, состоящей из конденсатора 10 (11) и диода 12 (13), к точкам соединения которых подключен вспомогательный источник 14. К выводу средней точки первичной обмотки 6 дросселя 5 подключена нагрузка 15.The transistor inverter contains in its phase series-connected transistors 1 and 2, parallel to which reverse diodes 3 and 4 are connected. A double-winding inductor 5 is included in the transistor circuit, at which a conclusion is made at the midpoint of the primary winding 6. An additional winding 7 of the inductor 5 through a diode 8 is connected to a power source 9. The circuit of each of the transistors is shunted by a series circuit consisting of a capacitor 10 (11) and a diode 12 (13), to the connection points of which an auxiliary source is connected 14. To the output of the midpoint of the primary winding 6 of the inductor 5 connected load 15.

Транзисторный инвертор работает следующим образом.The transistor inverter operates as follows.

При каждой подаче управляющего импульса на очередной транзистор 1 или 2 (либо при снятии) происходит колебательный перезаряд конденсаторов 10 и 11, в результате которого формируется заданная траектория переключения транзисторов 1 или 2. При этом скорость нарастания тока отпирающегося транзистора 1 или 2, а следовательно, потери в нем при его включении, ограничивается индуктивностью дросселя 5, а скорость нарастания напряжения запирающегося транзистора 2 или 1, т.е. потери в нем при его выключении - емкостью конденсатора 11 (или 10). Диоды 12 и 13 создают цепи для перезаряда конденсаторов 10 и 11. Вспомогательный источник 14 работает в режиме потребления, т.е. является встречной ЭДС, и служит для рассеивания избыточной энергии, накопленной в реактивных элементах при коммутации.Each time a control pulse is applied to the next transistor 1 or 2 (or when it is removed), the capacitors 10 and 11 are oscillatingly recharged, as a result of which a given switching path of transistors 1 or 2 is formed. In this case, the slew rate of the current of the unlocking transistor 1 or 2, and therefore losses in it when it is turned on is limited by the inductance of the inductor 5, and the slew rate of the voltage of the locking transistor 2 or 1, i.e. losses in it when it is turned off - by the capacitor 11 (or 10). Diodes 12 and 13 create circuits for recharging the capacitors 10 and 11. The auxiliary source 14 operates in the consumption mode, i.e. It is a counter emf, and serves to dissipate the excess energy accumulated in the reactive elements during switching.

При коммутации от источника 9 питания отбирается определенная энергия, которая затем рассеивается во вспомогательном источнике 14. Коммутационные процессы должны быть полностью завершены к началу следующей коммутации для того, чтобы защитная цепь могла восстановиться и нормально провести очередную коммутацию. Число витков обмотки 7 выбирают на 15…30% больше числа витков обмотки 6. В процессе работы инвертора реализуются два типа коммутации: от обратного диода 3 или 4 к транзистору 2 или 1 плеча и наоборот.When switching from the power supply 9, a certain energy is taken out, which is then dissipated in the auxiliary source 14. The switching processes must be completely completed by the beginning of the next switching so that the protective circuit can recover and normally conduct the next switching. The number of turns of winding 7 is chosen 15 ... 30% more than the number of turns of winding 6. During the operation of the inverter, two types of switching are implemented: from the reverse diode 3 or 4 to the transistor 2 or 1 of the arm and vice versa.

Первый тип коммутации протекает в четыре этапа. Рассмотрим коммутацию тока от диода 4 к транзистору 1. В предкоммутационном состоянии проводит диод 4. Конденсатор 10 заряжен до значения суммы напряжений источников 9 и 14, а конденсатор 11 полностью разряжен.The first type of switching proceeds in four stages. Consider the current switching from the diode 4 to the transistor 1. In the pre-switching state, it conducts the diode 4. The capacitor 10 is charged to the value of the sum of the voltages of the sources 9 and 14, and the capacitor 11 is completely discharged.

Коммутация начинается отпиранием транзистора 1. При этом к обмотке 6 прикладывается напряжение источника 9 питания и под действием возникшего на обмотке 7 напряжения диод 8 отпирается. Появляется линейно нарастающий ток через транзистор 1 и верхнюю полуобмотку первичной обмотки 6 дросселя 5, вызывающий уменьшение тока нижней полуобмотки первичной обмотки 6 дросселя 5. Первый этап заканчивается прохождением тока нижней полуобмотки первичной обмотки 6 дросселя 5 через нуль, т.е. запиранием диода 4. На этом этапе напряжения конденсаторов 10 и 11 не меняются.Switching begins by unlocking the transistor 1. In this case, the voltage of the power supply 9 is applied to the winding 6 and, under the action of the voltage generated on the winding 7, the diode 8 is unlocked. A linearly increasing current appears through the transistor 1 and the upper half-winding of the primary winding 6 of the inductor 5, causing a decrease in the current of the lower half-winding of the primary winding 6 of the inductor 5. The first stage ends with the passage of the current of the lower half-winding of the primary winding 6 of the inductor 5 through zero, i.e. by locking the diode 4. At this stage, the voltage of the capacitors 10 and 11 do not change.

Второй этап начинается отпиранием диода 13. После этого начинается плавный перезаряд конденсаторов, причем конденсатор 10 разряжается по цепи: 10-1-5-13-14-10, а конденсатор 11 заряжается по цепи: 9-1-5-13-11-9. По мере заряда конденсатора 11 напряжение обмотки 7 плавно убывает и в некоторый момент диод 8 запирается.The second stage begins by unlocking the diode 13. After that, a smooth recharge of the capacitors begins, and the capacitor 10 is discharged along the circuit: 10-1-5-13-14-10, and the capacitor 11 is charged through the circuit: 9-1-5-13-11- 9. As the capacitor 11 charges, the voltage of the winding 7 gradually decreases and at some point the diode 8 is locked.

На третьем этапе проводят транзистор 1 и диод 13. Перезаряд конденсаторов продолжается. Как и на втором этапе, через транзистор 1 протекает сумма токов нагрузки 15 и перезаряда конденсаторов 10 и 11. При максимальном токе нагрузки 15 указанная сумма определяет максимальный перегрузочный ток транзистора 1 во всем коммутационном интервале независимо от типа коммутации. Третий этап заканчивается полным разрядом конденсатора 10 и зарядом конденсатора 11.At the third stage, transistor 1 and diode 13 are carried out. The capacitors are recharged. As in the second stage, the sum of the load currents 15 and the overcharging of the capacitors 10 and 11 flows through the transistor 1. At the maximum load current 15, this sum determines the maximum overload current of the transistor 1 in the entire switching interval, regardless of the type of switching. The third stage ends with a complete discharge of the capacitor 10 and the charge of the capacitor 11.

На четвертом этапе отпирается диод 12. Напряжения конденсаторов 10 и 11 не меняются, а токи верхней и нижней полуобмотки первичной обмотки 6 дросселя 5 спадают, причем ток верхней полуобмотки - до значения тока нагрузки 15, а ток нижней полуобмотки - до нуля. Процесс коммутации завершается прохождением тока нижней полуобмотки первичной обмотки 6 дросселя через нуль, т.е. запиранием диодов 12 и 13. Аналогичным образом происходит коммутация тока от диода 3 к транзистору 2.At the fourth stage, the diode 12 is unlocked. The voltages of the capacitors 10 and 11 do not change, and the currents of the upper and lower half-windings of the primary winding 6 of the inductor 5 decrease, and the current of the upper half-winding reaches a load current of 15 and the current of the lower half-winding reaches zero. The switching process ends with the passage of the current of the lower half-winding of the primary winding 6 of the inductor through zero, i.e. by locking the diodes 12 and 13. Similarly, the current is switched from the diode 3 to the transistor 2.

Второй тип коммутации протекает следующим образом. Диод 8 закрыт и обмотка 7 на процессы не влияет. При открытом диоде 8 нагруженный на источник 9 питания дроссель 7, являясь встречной ЭДС, уменьшает ток перезаряда конденсаторов 10 и 11. В результате уменьшается накопленная в магнитном поле дросселя 5 энергия, что приводит к уменьшению коммутационных потерь и повышению КПД инвертора. Уменьшается также максимальный перегрузочный ток транзисторов 1 и 2. Дроссель 5 рассчитывают так, чтобы при разомкнутой вторичной обмотке 7 его индуктивность имела значение, необходимое для получения заданной скорости нарастания тока транзистора 1 или 2 при отпирании. Индуктивности рассеяния обмоток 6 и 7 дросселя 5 по возможности должны быть малыми.The second type of switching proceeds as follows. Diode 8 is closed and winding 7 does not affect the processes. When the diode 8 is open, the inductor 7 loaded on the power supply 9, being the opposite EMF, reduces the overcharge current of the capacitors 10 and 11. As a result, the energy stored in the magnetic field of the inductor 5 decreases, which leads to a decrease in switching losses and an increase in the inverter efficiency. The maximum overload current of the transistors 1 and 2 also decreases. The inductor 5 is calculated so that when the secondary winding 7 is open, its inductance has the value necessary to obtain a given slew rate of the current of the transistor 1 or 2 during unlocking. The scattering inductance of the windings 6 and 7 of the inductor 5 should be as small as possible.

Варианты исполнения: на основе представленной в заявляемом устройстве схемы может быть выполнен полумостовой, мостовой и трехфазный инвертор.Options: on the basis of the scheme presented in the claimed device, a half-bridge, bridge and three-phase inverter can be made.

Достижение технического результата обеспечивается за счет уменьшения потерь мощности в коммутационной цепи за счет ограничения скорости нарастания тока отпирающегося транзистора при помощи введенной цепи, состоящей из дополнительной обмотки 7 дросселя 5 и диода 8, т.е. за счет обеспечения «мягкой» коммутации. Известно, см. например, [3], что применение «мягкой» коммутации позволяет уменьшить потери мощности при включении транзистора.The achievement of the technical result is achieved by reducing power losses in the switching circuit by limiting the slew rate of the current of the unlocking transistor with the help of the introduced circuit, consisting of an additional winding 7 of the inductor 5 and diode 8, i.e. by providing “soft” switching. It is known, see, for example, [3] that the use of “soft” switching allows one to reduce power losses when the transistor is turned on.

Применение предлагаемого устройства позволит повысить КПД инвертора за счет уменьшения потерь мощности в коммутационной цепи, что, в конечном счете, позволит упростить и удешевить систему охлаждения инвертора.The application of the proposed device will increase the efficiency of the inverter by reducing power losses in the switching circuit, which, ultimately, will simplify and reduce the cost of the inverter cooling system.

Исходя из вышеизложенного, задача создания транзисторного инвертора, позволяющего повысить КПД инвертора за счет уменьшения потерь мощности в коммутационной цепи, решена.Based on the foregoing, the task of creating a transistor inverter, which allows to increase the efficiency of the inverter by reducing power losses in the switching circuit, is solved.

Источники информацииInformation sources

1. Evans P.D., Hill-Cottingham R.I., Some Aspects of Power Transistor Inverter Design. - IEE I. “Electric power applications”, June, 1979, vol. 2, №3, pp.73-80.1. Evans P.D., Hill-Cottingham R.I., Some Aspects of Power Transistor Inverter Design. - IEE I. “Electric power applications”, June 1979, vol. 2, No. 3, pp. 73-80.

2. SU989711 A1, H02M 7/537, 1981.2. SU989711 A1, H02M 7/537, 1981.

3. Как включать и выключать силовые ключи, чтобы потери на переключение были минимальны? http://www.multikonelectronics.com/subpage.php?p=8&i=113. How to turn power switches on and off so that switching losses are minimal? http://www.multikonelectronics.com/subpage.php?p=8&i=11

Claims

A transistor inverter made according to a bridge circuit and containing both in the upper and lower arms a transistor shunted by a chain of series-connected capacitor and diode, a half-winding of the inductor connected in series with the transistor, a return diode connected parallel to the transistor and an auxiliary source connected between the opposite plates of the capacitors power supply, while the diode and transistor of each arm are included in the conductive direction relative to the power source, and the diodes are chain to the upper and lower shoulders are connected to the unlike power electrodes of the respective transistors, between which are connected serially connected half-windings of the inductor, characterized in that it is equipped with an additional diode, and the inductor is equipped with an additional winding connected to the power source through an additional diode, and the additional diode is connected in a non-conductive direction relative to the power source.