Коммутационное устройство

 

Изобретение относится к электротехнике и может найти применение в силовых полупроводниковых преобразователях , в частности во вторичных источниках электропитания. Целью изобретения является повьшение надежности и КПД. Благодаря цепям, образованным . элементами 3,4,7,8,10, организован разряд конденсатора 3 по контуру, не включаюп(ему в себя ключевой элемент 1, вследствие чего он не перегружается: устранены сквозные токи и динамические потери, энергия из реактивных элементов цепей формирования рекуперируется в источник. 3 з.п. ф-лы, 4 ил. (-) (Н-) Од 05 СХ)

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (19) (11) (S1) 4 Н 02 М 7/537

/

3 ф1р

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

/p: : i

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ /

Н АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21), 4004336/31-07 (22) 10.01.86 (46) 15.06.87. Бюл. )".- 22 (71) Чувашский государственный университет им. И.Н.Ульянова (72) В.И.Костылев и Е.Б.Шеин (53) 621.316..722.1 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

9 1014114, кл. Н 02 M 7/537, 1982.

Авторское свидетельство СССР

Р 1072209, кл. Н 02 N 3/335, 1982. (54) КОММУТАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО (57) Изобретение относится к электротехнике и может найти применение в силовых полупроводниковых преобразователях, в частности во вторичных источниках электропитания. Целью изобретения является повышение надежности и КПЛ. Благодаря цепям, образованным . элементами 3,4,7,8, IO, организован разряд конденсатора 3 по контуру, не включающему в себя ключевой элемент

1, вследствие чего он не перегружается: устранены сквозные токи и динамические потери, энергия из реактивных элементов цепей формирования рекуперируется в источник. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

7618

1 131

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в силовых полупроводниковых преобразователях, в частности в источниках вторичного электропитания.

Цель изобретения — повышение надежности и KIIP.

На фиг.i изображена основнпя прин.ципиальная электрическая схема коммутационного устройства; на фиг.2— схема при работе устройства на индуктивную нагрузку; на фиг.3 и 4 — то же, при работе на нагрузку, содержащую LCD-фильтр.

Коммутационное устройство, выполненное по основной схеме (фиг.1), содержит ключевой элемент I, источник .2 питания, шунтирующий конденсатор .3, первый диод 4, трансформатор 5 с первичной 6 и вторичной 7 обмотками, :второй диод 8, цепь нагрузки 9, дополнительный дроссель 10 и вспомогательный диод 11. При работе на индуктивную нагрузку коммутационное устройство, кроме указанных элементов, содержит вспомогательный источник 12 напряжения (фиг.2), который при использовании LCD-фильтра (фиг.3 и 4) образован частью витков обмотки дросселя 12. На фиг.3 и 4 обозначены также обратный диод 14 фильтра и сглаживающий конденсатор 15.

В схеме по фиг.1 ключевой элемент первым силовым выводом присоединен к первому зажиму для подключения источника 2 питания и первому выводу первой последовательной цепи, образованной шунтирующим конденсатором 3 и первым диодом 4. Первый вывод первичной обмотки 6 трансформатора 5 подключен к второму силовому выводу ключевого элемента 1 и второму выводу первой последовательной цепи, а BTQричная обмотка 7 образует вторую последовательную цепь с вторым диодом 8, первым выводом присоединенную к второму зажиму для подключения источника 2 питания и первому выводу цепи нагрузки 9. Первый вывод первой последовательной цепи образован выводом шунтирующего конденсатора 3, причем общая точка соединения последнего с первым диодом 4 подключена через дополнительный дроссель 10 к второму выводу последовательной цепи, а второй вывод первичной обмотки 6 трансформатора 5 соединен с вторым выводом цепи нагрузки.

Коммутационное устройство работает следующим образом.

Предположим, что цепь нагрузки 9 имеет активный характер и ключевой элемент 1 разомкнут. В этом случае напряжение на шунтирующем конденсаторе 3 равно напряжению источника 2 питания и полярность его соответствует показанной на фиг.1 без скобок.

При замыкании ключевого элемента 1 через него, первичную обмотку трансформатора 5 и нагрузку 9 начинает протекать ток. Напряжение, возникающее на обмотке 6, трансформируясь во вторичную обмотку 7 (полярность показана на фиг.1 без скобок), вызывает отпирание второго диода 8 и появление тока разряда шунтирующего конденсатора 3. Ток разряда протекает по цепи: второй диод 8, дополнительный дроссель 10, шунтирующий конденсатор

3, источник 2 питания, вторичная обмотка 7. Если считать, что напряжение на ключевом элементе 1 спадает до нуля мгновенно, то в отличие от него ток, несмотря на активный характер цепи нагрузки 9, достигает своего квазиустановившегося значения не мгновенно, а постепенно. Это обусловлено тем, что ток ключевого элемента равен сумме тока намагничивания первичной обмотки 6 и приведенного тока вторичной обмотки 7, скорость нарастания которого ограничена индуктивностью дополнительного дросселя 10 ° В результате переключение ключевого элемента 1 происходит в благоприятных условиях; ток нарастает с нуля до установившегося при практически нулевом напряжении на нем, т.е. динамические потери отсутствуют. Кроме того, цепь разряда шунтирующего конденсатора 3 не .включает в себя ключевой элемент 1, поэтому перегрузки по току и связанные с ними дополнительные потери отсутствуют как непосредственно во время переключения, так и на протяжении всего разряда конденсатора 3.

Трансформатор 5 рассчитывают та-: ким образом, что при номинальном токе нагрузки перемагничивание его сердечника.заканчивается в момент, когда напряжение на шунтирующем конденсаторе 3 или близко, или равно нулю. В момент входа сердечника в насыщение напряжения на обмотках 6 и 7 спадают до нуля, однако ток в цепи разряда, 3 13176 поддерживаемый индуктивностью дополнительного дросселя 20, продолжает протекать. Когда напряжение на шунтирующем конденсаторе 3 уменьшается до нуля, то открывается диод 4 и энергия, накопленная в магнитном поле дополнительного дросселя 10, рекуперируется в нугрузку 9, вызывая на это время соответствующее уменьшение тока ключевого элемента 1. Если пере- 1р магничивание трансформатора 6 заканчивается раньше, что возможно при небольших токах нагрузки, то энергия дросселя 10 затрачивается на доразряд конденсатора 3, а остаток рекупери- 15 руется в нагрузку 9.

После разряда конденсатора 3 и дросселя 10 коммутационное устройство переходит в квазиустановившееся включенное состояние, в котором сердечник Zp трансформатора 5 намагничен до насыщения.

При запирании ключевого элемента

1 eI о ток спадает до нуля, рузки открывает первый диод 4 и начинает заряжать шунтирующий конденсатор

3. Благодаря тому, что напряжение на конденсаторе 3, а следовательно, и на ключевом элементе 1 нарастает по0 степенно, процесс выключения также происходит в благоприятных условиях: ток успевает спадать до нуля при достаточно малом напряжении, т.е. динамические потери практически отсутст35 вуют. По мере заряда конденсатора 3 ток нагрузки уменьшается и сердечник трансформатора 5 начинает размагничиваться, что вызывает смену полярности напряжений на обмотках 6 и 7 (на 40 фиг.1 показана в скобках) и запирание второго диода 8, Заряд конденсатора

3 происходит через индуктивность обмотки 6 трансформатора 5, поэтому он может иметь либо апериодический ха- 45 рактер, либо колебательный в зависимости от добротности контура заряда, которая в первую очередь определяется активной составляющей нагрузки 9.

Для того, чтобы избежать перенапряжений на ключевом элементе 1 и ограничить напряжение на нем на уровне напряжения питания, целесообразно подключить вспомогательный диод 11 так, как показано на фиг.1 пунктиром. В этом случае в,момент, когда потенциал катода первого диода 4 снижается до отрицательного потенциала источника питания, открывается

18 4 вспомогательный диод 11 и напряжение на ключевом элементе 1 остается равным напряжению питания. В дальнейшем разряд индуктивности намагничивания обмотки 6 происходит через нагрузку 9, Вспомогательный диод 11 в продольной схеме необходим лишь при колебательном заряде конденсатора 3, когда выброс напряжения может превысить приемлемое значение.

После окончания заряда шунтирующего конденсатора 3 и разряда индуктивности намагничивания трансформатора 5 коммутационное устройство переходит во второе квазиустановившееся состояние — разомкнутое, При отпирании ключевого элемента 1 процессы протекают аналогично описанным.

Работа коммутационного устройства на нагрузку, содержащую индуктивность

13, зашунтированную обратным диодом

14 (фиг.2), протекает в основном аналогично описанному. Отличие заключается в том, что размагничивание сердечника трансформатора 5 осуществляется с помощью вспомогательнОго .источника 12 напряжения. В закрытом состоянии ключевого элемента 1 обратный диод 14 открыт индуктивным током нагрузки 9, а всмопогательный диод 11 — током намагничивания обмотки 6 трансформатора 5. При этом к обмотке 6 прикладывается напряжение вспомогательного источника 12 и сердечник размагничивается °

После спада тока намагничивания обмотки 6 до нуля диод 11 запирается и к ключевому элементу прикладывается напряжение источника 2 питания за вычетом напряжения вспомогательного источника 12 ° В качестве указанной нагрузки может быть использован электродвигатель.

Коммутационное устройство может быть использовано в преобразователях постоянного напряжения (фиг.3 и 4).

В этом случае цепь нагрузки содержит

LCD-фильтр с дросселем 13 и сглаживающим конденсатором 15. На схемах по фиг.3 и 4 вспомогательный источник

12 напряжения образован частью витков дросселя 13 (полярность напряжения на ней показана для запертого ключевого элемента, когда происходит процесс размагничивания сердечника трансформатора 5), что упрощает схему преобразователя. Помимо преобразователей напряжения, коммутационное усто имеет более высокие 4. Устройство по пп. 1 — 3, о т—

Д, чем прототип. л и ч а ю щ е е с я тем, что в него

А0 введен вспомогательный диод, подклюи 3 о б р е т е н и я ченный первым выводом к второму силовому выводу ключевого элемента, а вторым — к второму зажиму для подключения источника питания.

Формула

5 13176 ройство может быть применено в мостовых и полумостовых инверторах.

Особенностью коммутационного устройства является то, что коммутирующий конденсатор 3 разряжается током, зависящим от тока нагрузки. При больших сопротивлениях нагрузки и, соответственно, малых токах разряда пол.ный разряд конденсатора 3 может не произойти и на нем останется напряже- 1g ние. Поэтому при запирании ключевого элемента 1 спад тока происходит при определенном напряжении, тем большем, чем меньше ток нагрузки, и возникают динамические потери. Однако увеличение напряжения происходит при соответствующем уменьшении тока нагрузки и если обеспечен полный разряд конденсатора 3 в номинальном режиме, то возникающие динамические потери в 20 ключевом элементе пренебрежимо малы и могут быть устранены применением дополнительных цепей.

Коммутационное устройство не требует использования дополнительного 25 разрядного транзистора. Ключевой элемент в нем переключается в облегченном режиме без динамических потерь как при отпирании, так и при запирании, Выбросы сквозного тока в схеме 3О устранены с помошью дополнительного дросселя, причем энергия, накапливаемая им не просто рекуперируется, а сначала используется для разряда шунтирующего конденсатора и лишь ос35 тавшаяся часть отдается в нагрузку.

В результате предлагаемое коммутационное устройств надежность и КП

1. Коммутационное устройство, содержащее ключевой элемент, присоеди—

18 6 ненный первым силовым выводом к первому зажиму для подключения источника питания и первому выводу первой последовательной цепи, образованной соединением шунтирующего конденсатора и первого диода, трансформатор, у которого первый вывод первичной обмотки подключен к второму силовому выводу ключевого элемента и второму выводу первой последовательной цепи,,.а вторичная обмотка вместе с вторым диодом образует вторую последовательную цепь, первым выводом присоединенную к второму зажиму для подключения источника питания и первого вывода цепи нагрузки, о т л и ч а ю— щ е е с я тем, что, с целью повышения надежности и КПД, в него введен дроссель, включенный последовательно во вторую цепь, которая подключена к общей точке соединения конденсатора и диода первой цепи, а второй вывод первичной обмотки трансформатора со- . единен с вторым выводом цепи нагрузки, 2. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что при нагрузке индуктивного характера, зашунтированной обратным диодом, в цепь нагрузки установлен вспомогательный источник напряжения.

3. Устройство по пп. 1 и 2, о т— л и ч а ю щ е е с я тем, что при использовании в цепи нагрузки LCDфильтра, вспомогательный источник напряжения образован частью витков дросселя фильтра.

1317618

< — (+)

Составитель 0,Овчинников

Техред В.Кадар Корректор Г.Решетник

Редактор А.Огар

Заказ 2432/53 Тираж 660

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, F-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное. Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4