SU1624639A1 - Ключевой преобразователь - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к электротехнике и может быть использовано в системах вторичного электропитани , автоматики и электропривода дл  преобразовани  или коммутиции посто нного напр жени . Цель изобретени  - повышение КПД и надежности путем уменьшени  динамических потерь при переключении транзисторов. Ключевой преобразователь содержит транзисторный коммутатор, состо щий из N транзисторов 1.1...1.П. N конденсаторов 2.1...2n, N основных диодов 9.1...9.П и многообмоточный дроссель 4 с N-1 обмотками,

Description

Изобретение относитс  к электротехнике и может быть использовано в системах вторичного электропитани , автоматики и электропривода дл  преобразовани  или коммутации посто нного напр жени .

Цель изобретени  - повышение КПД и надежности путем уменьшени  динамических потерь при переключении транзисторов .

На фиг.1 приведена схема ключевого преобразовател  на N транзисторах; на фиг.2 - то же, на двух транзисторах (N - число р да 2, 3, 4, ...); на фиг.З -диаграммы напр жени  и тока в различных точках схемы (а - напр жение на выходе блока управлени ; б - напр жение эмиттер-коллектор и ток коллектора транзистора 1.1; Ь-напр жение эмиттер-коллектор и ток коллектора транзистора 1.2; г - напр жение на конденсаторе 2.1; d - напр жение на конденсато- ре 2.2).

Ключевой преобразователь (фиг.1) содержит N транзисторов 1.1 - 1.п и N последовательно включенных конденсаторов 2.1 - 2.п. Блок 3 управлени  имеет N выходов, присоединенных к базам транзисторов 1.1 - 1.п. Дроссель 4 имеет N-1 основных обмоток , кажда  из которых разделена промежу- точным отводом на участки: перва  основна  обмотка на участки 5.1 и 5.2.1., втора  - на 5.2.2 и 5.3.1 и т.д., а последн   - на участки 5.п.2 и 5.П-1.2.

N резисторов 6.1 - б.п шунтируют конденсаторы 2.1 - 2.п соответственно. Конденсаторы 2.1 и 2.п шунтированы также цепочками из последовательно включенных транзисторов 1,1, первого участка первой обмотки 5.1 дроссел  4 и участка обмотки 5.п дроссел  4 и транзистора 1.п соответ- ственно. Коллектор транзистора 1.1 соединен с первым силовым выводом транзисторного коммутатора, соединенного с источником питани  7. Эмиттер транзистора 1.п соединен с первым выводом нагрузки 8. При этом силовые электроды к-го

транзистора (к - число р да 2,3,4 п-1)

присоединены к разноименным выводам

участков обмоток 5.к.1 и 5.к.2. Соотношение числа витков в участках обмоток 5.1 и 5.П.2 дроссел  4 дл  случа  равномерного делени  напр жени  между всеми транзисторами вдвое больше числа витков всех остальных участков обмотки 5.к.1 и 5.К.2. Между первым выводом источника 7 питани  и коллектором транзистора 1.2, между эмиттером к-го транзистора и первым выводом нагрузки 8, между эмиттером n-го транзистора и первым силовым электродом к+2 транзистора встречно с источником 7 питани  включены основные диоды 9.1, Э.п, 9,2,..., 9.(п-1) соответственно.

Параллельно выводам источника питани  подключена последовательна  цепь из дополнительной обмотки 5.(п+1) дроссел  4 и встречно включенного дополнительного диода 10, причем количество витков обмотки 5.( -И) равно сумме всех витков обмоток 5.1-5,п.

В случае ключевой преобразователь (фиг.2) содержит транзисторы 1.1, 1.2, конденсаторы 2.1, 2.2, блок 3 управлени ,

дроссель 4 с участками основной обмотки 5.1, 5.2 и дополнительной обмотки 5.3, имеющей вдвое больше витков, чем каждый участок 5.1 и 5.2, резисторы 6,1, 6.2, источник 7 питани , нагрузку 8, основные диоды 9.1,

9.2 и дополнительный диод 10.

При (фиг.2) ключевой преобразователь работает следующим образом.

Когда с блока 3 управлени  на транзисторы 1.1, 1.2 поступает запирающий ситнал , транзисторы 1.1, 1.2 наход тс  в выключенном состо нии. В участках обмотки 5.1, 5.2 дроссел  4 ток равен нулю, а конденсаторы 2.1, 2.2 зар жены, примерно, до половины напр жени  источника питани .

В момент времени to (фиг.З) блок 3 управлени  вырабатывает открывающий управл ющий сигнал. В силу технологического разброса при изготовлении транзисторов 1.1, 1.2, элементов блока 3 управлени  и т.д., транзисторы 1.1 и 1.2 включатюс  не одновременно. Пусть, например , первым включаетс  транзистор 1.2, через силовые электроды транзистора 1.2 и дроссель 4 начинает протекать ток зар да конденсатора 2.2 и ток разр да конденсатора 2.1.

В момент ti открываетс  транзистор 1.1. Через силовые электроды транзистора 1.1с посто нной времени, определ емой индуктивностью обмоток дроссел  4, устанавливаетс  ток нагрузки н. После включени  транзистора 1.1 возникает сложный процесс из нескольких энергообменов между конденсаторами, основной индуктивностью дроссел  4 и индуктивностью рассеивани  обмоток 5.1, 5.2.

При открытых транзисторах 1.1,1.2 конденсаторы 2.1, 2.2 разр жены, через дроссель 4 протекает ток нагрузки н.

В момент времени t2 блок 3 управлени  подает запирающий сигнал на базы транзисторов 1.1, 1.2. Допустим, что в силу указан- ных выше причин, первым начнет закрыватьс  транзистор 1.1. Уже в начале запирани  транзистора открываетс  диод 9.2 и часть энергии, запасенной в дросселе 4, начинает циркулировать по цепи: участок обмотки 5.2 дроссел  4. транзистор 1.2, диод 9.2, участок обмотки 5.1 дроссел  4. Часть тока нагрузки 8 ответвл етс  в цепь: источник 7 питани , конденсатор 2.1, обмотка 5.2 дроссел  4, транзистор 1.2, нагрузка 8, источник 7 питани ; а часть по цепи:источник 7 питани , запирающий транзистор 1.1, участок обмотки 5.1 дроссел  4, конденсатор 2.2, нагрузка 8, источник 7 питани . В момент времени тз запираетс  транзистор 1.2, Ток нагрузки при этом поддерживаетс  за счет тока зар да конденсаторов 2.1, 2.2. В точке соединени  участков обмоток 5.1 и 5.2 дроссел  4 происходит токообмен между запирающимис  транзисторами 1,1, 1.2 и конденсаторами 2.1, 2.2. Дроссель 4 отдает запасенную в нем энергию конденсаторам 2.1, 2.2.Диоды 9Л и 9.2 открыты и ток дроссел  4 замыкаетс  по двум цеп м: обмотка 5.2 дроссел  4, диод 9.1, конденсатор 2.1 и обмотка 5.1 дроссел  4, конденсатор 2.2, диод 9.2, обмотка 5.1 дроссел  4. Напр жение на конденсаторах 2.1, 2.2 при закрытых транзисторах 1.1, 1.2 равны между собой в силу индуктивной св зи между одинаковыми участками обмотки 5.1 и 5.2 дроссел  4.

При работе в широком диапазоне коммутируемых токов и напр жений необходимо введение цепи рекуперации в виде дополнительной обмотки 5.3 дроссел  4 и дополнительного диода 10. При равенстве витков вспомогательной обмотки 5.3 и суммы витков обмоток 5.1 и 5.2 разр д дроссел  4 происходит при напр жении на силовых электродах транзисторов 1.1 и 1.2, не 50 превышающем половины напр жени  источника 7 питани .

В запертом состо нии равномерное распределение напр жени  между транзисторами 1.1 и 1.2 обеспечиваетс  резистив- 55 ным делителем на сопротивлени х 6.1, 6.2. В случае (фиг.1) устройство работает аналогичным образом. В исходном состо нии напр жени  на транзисторах выравниваютс  резистивным делителем 6.1- б.п. При включении любого к-го транзистора на остальных N-1 транзисторах напр жение уменьшаетс  на величину DCK, где UCK - напр жение на конденсаторе, который шунтируетс  открывающимс  транзистором 1 .к. 5 В нагрузке протекает ток перезар дки остальных N-1 конденсаторов от напр жени  до напр жени  (N-1). При соответствующем выборе емкости конденсаторов 2.1-2.П напр жение на транзисторах до 10 открывани  следующего транзистора измен етс  не значительно (практически все транзисторы 1.1 -1.п начинают открыватьс  одновременно, но эквивалентное сопротивление между силовыми электродами изме- 15 н етс  с разной скоростью). По достижении включенного состо ни  в к-м транзисторе наблюдаетс  небольшой скачок тока, обусловленный подзар дкой к-1 конденсатора, шунтируемого к-1 ранее включенным тран- 0 зистором, но на динамические потери он существенного вли ни  не оказывает, так jcaK транзистор находитс  уже во включенном состо нии. Во включенном состо нии коммутатора токи в обмотках 5.1-5.П дрос- 5 сел  4 равны току нагрузки 8.

При включении транзисторного коммутатора первым выключаетс , например, транзистор 1.к. Ток нагрузки начинает протекать через конденсатор 2.к, открываютс  0 диоды 9.(к-1) и 9.(к+1). Напр жение на силовых электродах транзистора 1.к равно сумме напр жений на конденсаторе 2.к и на любом из остальных конденсаторов 2.1 -2.п. Напр жение на конденсаторах 2.1-2.П, за- 5 шунтированных транзисторами 1.1-l.n начинает возрастать благодар  зазору конденсаторов 2.1-2.П разностным токам дроссел  4 и уменьшающимс  током нагрузки . 0

Под воздействием запирающего напр жени  транзисторы закрываютс . При достижении на любом шунтирующем конденсаторе 2.1-2.п напр жени  от- 5 крываетс  диод 10 и остаточна  часть энергии дроссел  рекуперируетс  в первичный источник 7 питани 

Таким образом, в предложенном ключевом преобразователе с последовательным включением транзисторов в транзисторном коммутаторе введенные цепи и св зи одновременно формируют оптимальную траекторию переключени  транзисторов и обеспечивают равномерное распределение напр жений на транзисторах, что позвол ет повысить КПД и надежность.

Claims (3)

1. Формула изобретени  1. Ключевой преобразователь, содержащий по меньшей мере один транзисторный коммутатор, силовые выводы которого через выходные выводы подключены к входным выводам, состо щий из N синхронно- и синфазно-управл емых транзисторов, N основных диодов, N конденсаторов, соединенных в последовательную цепочку, включенную между силовыми выводами транзисторного коммутатора, и многообмоточный дроссель, отличающийс  тем, что, с целью повышени  КПД и надежности путем уменьшени  динамических потерь при переключении, многообмоточный дроссель выполнен с N 1 основными обмотками, кажда  из которых имеет отвод от промежуточной точки, транзисторы и основные обмотки многообмоточного дроссел , череду сь, соединены согласно-последовательно , причем коллектор первого транзистора соединен с первым силовым выводом транзисторного коммутатора, эмиттер последнего транзистора соединен с вторым силовым выводом транзисторного коммутатора , а отвод от промежуточной точки каж- дои основной обмотки многообмоточного

   5

   0

   5

   0

   5

   0

   дроссел  соединен с соответствующей точкой соединени  смежных конденсаторов последовательной цепочки, причем первый транзистор вместе с подключенной к его эмиттеру первой основной обмоткой многообмоточного дроссел , последний транзистор вместе с подключенной к его коллектору последней основной обмоткой многообмоточного дроссел  и каждый из остальных транзисторов вместе с подключенными как к их коллекторам, так и к эмиттерам основными обмотками многообмоточного дроссел  шунтированы встречно включенными основными диодами,
2. 2.Преобразователь по п.1, о т л и ч а ю- щ и и с   тем, что. с целью равномерного распределени  напр жени  на транзисторах , участок первой основной обмотки многообмоточного дроссел  между отводом и крайним выводом, подключенным к эмиттеру первого транзистора, и участок последней основной обмотки многообмоточного дроссел  между отводом и крайним выводом , подключенным к коллектору последнего транзистора, имеет число витков вдвое большее, чем число витков других участков этих обмоток и участков от отвода до каждого крайнего вывода всех других основных обмоток.
3. 3.Преобразователь по п.1, о т л и ч а ю- щ и и с   тем, что в многообмоточный дроссель введена дополнительна  обмотка , соединенна  через введенный дополнительный диод, включенный встречно с входными выводами дл  подключени  источника питани .

   ОД/г 2

   Л

   Г

   i

   la

   X