RU2538301C1

RU2538301C1 - Half bridge galvanic isolated pulse-power amplifier

Info

Publication number: RU2538301C1
Application number: RU2013154608/08A
Authority: RU
Inventors: Алексей Владимирович Чирков; Владимир Владимирович Колмаков
Original assignee: Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва"
Priority date: 2013-12-09
Filing date: 2013-12-09
Publication date: 2015-01-10

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: as galvanic isolation of a pulse amplifier the fast-acting galvanic isolated key is used that ensures summing of the input pulse signal with rectangular voltage of the reference frequency, and double-cascade circuit is used for amplification of the signal power.

EFFECT: improving operating speed of the pulse-power amplifier.

1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в силовых импульсных устройствах для управления электродвигателями в качестве формирователей тока в обмотках электродвигателя.The present invention relates to a pulse technique and can be used in power pulse devices for controlling electric motors as current conditioners in the motor windings.

Известен силовой гальванически изолированный ключ (патент РФ №2487472), который выбран в качестве прототипа, содержащий управляющий транзистор, выпрямительные диоды, токовый трансформатор, ограничительный резистор и два силовых транзистора, в котором с целью повышения быстродействия гальванически изолированного ключа, выполнено суммирование входного импульсного сигнала с прямоугольным напряжением опорной частоты для чего входной сигнал подается на базу управляющего транзистора, эмиттер которого подключен к общей шине входного сигнала и источника опорной частоты, а коллектор к катодам выпрямительных диодов, включенных в первичную обмотку токового трансформатора, средний вывод первичной обмотки подключен к общей шине входного сигнала и источника опорной частоты, а один из выводов первичной обмотки подключен к ограничительному резистору, второй вывод которого подключен к источнику опорной частоты. Вторичная обмотка токового трансформатора подключена к базам силовых транзисторов, коллекторы и эмиттеры которых объединены, при этом средней вывод вторичной обмотки токового трансформатора подключен к эмиттерам силовых транзисторов.Known power galvanically isolated key (RF patent No. 2487472), which is selected as a prototype, containing a control transistor, rectifier diodes, a current transformer, a limiting resistor and two power transistors, in which to increase the speed of a galvanically isolated key, the sum of the input pulse signal with a rectangular voltage of the reference frequency for which the input signal is fed to the base of the control transistor, the emitter of which is connected to a common input signal bus and the reference frequency source, and the collector to the cathodes of the rectifier diodes included in the primary winding of the current transformer, the middle terminal of the primary winding is connected to a common input signal bus and the reference frequency source, and one of the terminals of the primary winding is connected to a limiting resistor, the second terminal of which is connected to reference frequency source. The secondary winding of the current transformer is connected to the bases of power transistors, the collectors and emitters of which are combined, while the average terminal of the secondary winding of the current transformer is connected to the emitters of the power transistors.

Недостатком прототипа является невысокий коэффициент усиления мощности входного импульсного сигнала, что ограничивает область его применения.The disadvantage of the prototype is the low power gain of the input pulse signal, which limits its scope.

Задачей настоящего изобретения является повышение быстродействия импульсного усилителя мощности и расширение области его применения.The objective of the present invention is to increase the speed of a pulsed power amplifier and expand its scope.

Поставленная задача достигается тем, что в полумостовом гальванически изолированном импульсном усилителе мощности, состоящим из управляющего транзистора, выпрямительных диодов, токового трансформатора, ограничительного резистора, первого каскада усиления, подключенного к первому источнику двухполярного напряжения и состоящего из трех транзисторов, диода и двух резисторов, второго каскада усиления, подключенного к второму источнику двухполярного напряжения и состоящего из двух комплементарных силовых транзисторов и двух шунтирующих диодов, в котором с целью повышения быстродействия полумостового гальванически изолированного импульсного усилителя мощности, выполнено суммирование входного импульсного сигнала с прямоугольным напряжением опорной частоты, для чего входной сигнал подается на базу управляющего транзистора, эмиттер которого подключен к общей шине входного сигнала и источника опорной частоты, а коллектор к катодам выпрямительных диодов, включенных в первичную обмотку токового трансформатора, средний вывод первичной обмотки подключен к общей шине входного сигнала и источника опорной частоты, а один из выводов первичной обмотки подключен к ограничительному резистору, второй вывод которого подключен к источнику опорной частоты. Вторичная обмотка токового трансформатора подключена к базам транзисторов первого каскада усиления, объединенные эмиттеры которых подключены к среднему выводу вторичной обмотки токового трансформатора и отрицательной полярности первого источника двухполярного напряжения, общая шина которого подключена к выходной цепи полумостового гальванически изолированного импульсного усилителя мощности. Объединенные коллекторы транзисторов первого каскада усиления подключены к базе третьего транзистора и катоду диода, а через резистор к положительной полярности первого источника двухполярного напряжения и коллектору третьего транзистора, эмиттер которого подключен к аноду диода и через резистор к объединенным базам комплементарных силовых транзисторов второго каскада усиления, объединенные эмиттеры этих транзисторов являются выходом полумостового гальванически изолированного импульсного усилителя мощности и подключены к общей цепи последовательно соединенных шунтирующих диодов, при этом катод первого диода подключен к коллектору силового n-p-n транзистора, а анод второго диода подключен к коллектору силового p-n-p транзистора. Коллекторы комплементарных силовых транзисторов подключены к соответствующим шинам второго источника двухполярного напряжения, общая шина которого подключена к общей цепи выходного напряжения полумостового гальванически изолированного импульсного усилителя мощности.The problem is achieved in that in a half-bridge galvanically isolated pulsed power amplifier, consisting of a control transistor, rectifier diodes, a current transformer, a limiting resistor, a first amplification stage connected to the first bipolar voltage source and consisting of three transistors, a diode and two resistors, a second amplification stage connected to a second bipolar voltage source and consisting of two complementary power transistors and two shunting of their diodes, in which, in order to improve the performance of a half-bridge galvanically isolated pulse power amplifier, the input pulse signal is summed with the rectangular voltage of the reference frequency, for which the input signal is fed to the base of the control transistor, the emitter of which is connected to the common bus of the input signal and the reference frequency source, and the collector to the cathodes of the rectifier diodes included in the primary winding of the current transformer, the middle output of the primary winding is connected to a common bus in the input signal and the reference frequency source, and one of the terminals of the primary winding is connected to a limiting resistor, the second terminal of which is connected to the reference frequency source. The secondary winding of the current transformer is connected to the transistor bases of the first amplification stage, the combined emitters of which are connected to the middle terminal of the secondary winding of the current transformer and the negative polarity of the first bipolar voltage source, the common bus of which is connected to the output circuit of a half-bridge galvanically isolated pulse power amplifier. The combined collectors of the transistors of the first amplification stage are connected to the base of the third transistor and the cathode of the diode, and through the resistor to the positive polarity of the first bipolar voltage source and the collector of the third transistor, the emitter of which is connected to the diode anode and through the resistor to the combined bases of complementary power transistors of the second amplification stage, combined the emitters of these transistors are the output of a half-bridge galvanically isolated pulse power amplifier and are connected to a common circuits of series-connected shunt diodes, while the cathode of the first diode is connected to the collector of the power n-p-n transistor, and the anode of the second diode is connected to the collector of the power p-n-p transistor. The collectors of complementary power transistors are connected to the corresponding buses of the second bipolar voltage source, the common bus of which is connected to the common output voltage circuit of a half-bridge galvanically isolated pulse power amplifier.

Суть предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена электрическая схема полумостового гальванически изолированного импульсного усилителя мощности. Схема работает следующим образом: на базу управляющего транзистора 2 подается входной сигнал 1, представляющий собой прямоугольные управляющие импульсы, при этом с источника опорной частоты 9 на первичную обмотку 6 токового трансформатора 7 поступает прямоугольное напряжение опорной частоты.The essence of the invention is illustrated in the drawing, where figure 1 shows the electrical circuit of a half-bridge galvanically isolated pulse power amplifier. The circuit works as follows: the input signal 1, which is a rectangular control pulse, is supplied to the base of the control transistor 2, while a rectangular voltage of the reference frequency is supplied from the source of the reference frequency 9 to the primary winding 6 of the current transformer 7.

При поданном низком уровне входного сигнала 1 управляющий транзистор 2 закрыт, выпрямительные диоды 4, 5 находятся в отключенном состоянии, к первичной обмотке 6 токового трансформатора 7 через ограничительный резистор 8 прикладывается опорное напряжение с источника опорной частоты 9. По вторичной обмотке 11 токового трансформатора 7 протекает базовый ток транзисторов 10, 12, заданный ограничительным резистором 8, при этом на базу каждого из транзисторов 10, 12 попеременно подается отпирающее и запирающее напряжение, тем самым постоянно обеспечивается открытое состояние одного из транзисторов 10 или 12, которые образуют нижний ключ первого каскада усиления. На аноде диода 14 первого каскада усиления формируется отрицательное напряжение от отрицательной полярности 16 первого источника двухполярного напряжения 16, 17 относительно выходной цепи 25 полумостового гальванически изолированного импульсного усилителя мощности.When the input signal 1 is low, the control transistor 2 is closed, the rectifier diodes 4, 5 are off, the reference voltage from the reference frequency source 9 is applied to the primary winding 6 of the current transformer 7 through the limiting resistor 8. The secondary winding 11 of the current transformer 7 flows the base current of the transistors 10, 12, set by the limiting resistor 8, while the base of each of the transistors 10, 12 is alternately supplied unlocking and locking voltage, thereby constantly ensuring An open state of one of the transistors 10 or 12 is formed, which form the lower key of the first amplification stage. At the anode of the diode 14 of the first amplification stage, a negative voltage is generated from the negative polarity 16 of the first bipolar voltage source 16, 17 relative to the output circuit 25 of a half-bridge galvanically isolated pulsed power amplifier.

При поступлении высокого уровня входного сигнала 1 управляющий транзистор 2 переходит в насыщенное состояние, выпрямительные диоды 4, 5 замыкаются на общую шину 3 входного сигнала 1 и источника опорной частоты 9, при этом понижается напряжение на первичной обмотке 6 и вторичной обмотки 11 токового трансформатора 7. На базах транзисторов 10, 12 формируется пониженное напряжение, обеспечивающее режим отсечки этих транзисторов, при этом нижний ключ первого каскада усиления закрывается. От положительной полярности 17 первого источника двухполярного напряжения 16, 17 ток резистора 13 начинает протекать через базу транзистора 15, являющегося верхним ключом первого каскада усиления, который отпирается и на аноде диода 14 формируется положительное напряжение от положительной полярности 17 первого источника двухполярного напряжения 16, 17 относительно выходной цепи 25 полумостового гальванически изолированного импульсного усилителя мощности.Upon receipt of a high level of the input signal 1, the control transistor 2 goes into saturated state, the rectifier diodes 4, 5 are closed on a common bus 3 of the input signal 1 and the reference frequency source 9, while the voltage on the primary winding 6 and the secondary winding 11 of the current transformer 7 decreases. At the bases of transistors 10, 12, a reduced voltage is formed, which ensures the cutoff mode of these transistors, while the lower key of the first amplification stage is closed. From the positive polarity 17 of the first bipolar voltage source 16, 17, the current of the resistor 13 begins to flow through the base of the transistor 15, which is the upper key of the first amplification stage, which is unlocked and a positive voltage is generated from the positive polarity 17 of the first bipolar voltage source 16, 17 relative to the anode of the diode 14 output circuit 25 of a half-bridge galvanically isolated pulsed power amplifier.

В соответствии с полярностью напряжения, формируемого на аноде диода 14, через резистор 18 протекает базовый ток комплементарных силовых транзисторов 19, 20, обеспечивая переключение силовых транзисторов 19, 20 в соответствии с входным сигналом 1. Диоды 21, 22 выполняют роль защиты силовых транзисторов 19, 20 соответственно при подключении индуктивной нагрузки к второму источнику двухполярного напряжения 23, 24 относительно общей цепи 26. Высокий коэффициент усиления двухкаскадного усилителя мощности и его быстродействие определяется параметрами транзисторов первого и второго каскадов усиления.In accordance with the polarity of the voltage generated at the anode of the diode 14, the base current of the complementary power transistors 19, 20 flows through the resistor 18, providing switching power transistors 19, 20 in accordance with the input signal 1. Diodes 21, 22 play the role of protecting power transistors 19, 20, respectively, when the inductive load is connected to the second bipolar voltage source 23, 24 with respect to the common circuit 26. The high gain of the two-stage power amplifier and its speed are determined by the parameters t anzistorov first and second amplification stages.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение быстродействия импульсного усилителя мощности и расширение области его применения за счет использования быстродействующего гальванически изолированного ключа и двухкаскадной схемы усиления мощности.The technical result of the present invention is to increase the speed of a pulsed power amplifier and expand its scope through the use of a high-speed galvanically isolated key and a two-stage power amplification circuit.

Данное изобретение предлагается использовать в блоках управления приводами, разрабатываемых ОАО «ИСС» в качестве гальванически изолированного импульсного устройства формирования тока в фазе электродвигателя.This invention is proposed to be used in drive control units developed by ISS OJSC as a galvanically isolated pulse device for generating current in the phase of the electric motor.

Из известных заявителю патентно-информационных материалов не обнаружены признаки, сходные с совокупностью признаков заявляемого объекта.Of the patent information materials known to the applicant, no signs were found that are similar to the totality of the features of the claimed object.

Claims

A half-bridge galvanically isolated switching power amplifier consisting of a control transistor, rectifier diodes, a current transformer, a limiting resistor, a first amplification stage connected to a first bipolar voltage source and consisting of three transistors, a diode and two resistors, a second amplification stage connected to a second source bipolar voltage and consisting of two complementary power transistors and two bypass diodes, in which, in order to increase the fast A half-bridge galvanically isolated pulsed power amplifier summed up the input pulse signal with a rectangular voltage of the reference frequency, for which the input signal is fed to the base of the control transistor, the emitter of which is connected to the common bus of the input signal and the reference frequency source, and the collector to the cathodes of the rectifier diodes included in primary winding of a current transformer, the middle output of the primary winding is connected to a common input signal bus and a reference frequency source and one of the terminals of the primary winding is connected to a limiting resistor, the second terminal of which is connected to a reference frequency source, characterized in that the secondary winding of the current transformer is connected to the bases of the transistors of the first amplification stage, the combined emitters of which are connected to the middle terminal of the secondary winding of the current transformer and negative polarity of the first bipolar voltage source, the common bus of which is connected to the output circuit of a half-bridge galvanically isolated pulse o power amplifier, the combined collectors of the transistors of the first amplification stage are connected to the base of the third transistor and the cathode of the diode, and through the resistor to the positive polarity of the first bipolar voltage source and to the collector of the third transistor, the emitter of which is connected to the diode anode and through the resistor to the combined bases of complementary power transistors of the second amplification stage, the combined emitters of these transistors are the output of a half-bridge galvanically isolated pulse power amplifier and and are connected to a common circuit of series-connected shunt diodes, wherein the cathode of the first diode is connected to the collector of the power npn transistor, and the anode of the second diode is connected to the collector of the power pnp transistor; collectors of complementary power transistors are connected to the corresponding buses of the second bipolar voltage source, the common bus of which is connected to the common output voltage circuit of a half-bridge galvanically isolated pulse power amplifier.