Ключевой преобразователь

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах вторичного электропитания, автоматики и электропривода для преобразования или коммутиции постоянного напряжения. Цель изобретения - повышение КПД и надежности путем уменьшения динамических потерь при переключении транзисторов. Ключевой преобразователь содержит транзисторный коммутатор, состоящий 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,

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Н 02 М 7/537

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4298786/07 (22) 07.07.87 (46) 30.01.91. Бюл, N. 4 .(71) Харьковский государственный университет им.А.M,Ãîðüêîãî (72) Н.Д.Терещенко, А.Ç.Венгер, И.B.Äèòÿòкин и Е.Ф.Сидоренко (53) 621.344.58 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N. 1200371, кл. Н 02 М 7/537, 1984.

Авторское свидетельство СССР

N- 681524, кл. Н 02 М 7/537, 1977. (54) КЛЮЧЕВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Ы 1624639 Al (57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах вторичного электропитания, автоматики и электропривода для преобразования или коммутиции постоянного напряжения. Цель изобретения — повышение КПД и надежности путем уменьшения динамических потерь при переключении транзисторов, Ключевой преобразователь содержит транзисторный коммутатор, состоящий иэ 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, 1624639

15

30 каждая из которых имеет отвод от промежуточной точки, разделяющей ее на участки 5.1 и 5,2.1, 5.2.2 и 5,3,1,...,5.п.2 и 5.(n-1). 2.

Число витков каждого из участков обмотки 5.1 и 5 п.2 вдвое больше, чем число витков каждых участков других одинаковых обмоток многообмоточного дросселя 4. Транзисторы 1 и обмотки 5 чередуясь, соединены последовательно. Транзисторы 1 с подключенными к ним обмотками 5 шунтированы

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах вторичного электропитания; автоматики и электропривода для преобразования или коммутации постоянного напряжения.

Цель изобретения — повышение КПД и надежности путем уменьшения динамических потерь при переключении транзисторов.

На фиг.1 приведена схема ключевого преобразователя на N транзисторах; на фиг.2 — то же, на двух транзисторах (N— число: ряда 2, 3, 4, ...); на фиг.3 — диаграммы напряжения и тока в различных точках схе, мы (а — напряжение на выходе блока управления; б — напряжение эмиттер — коллектор и ток коллектора транзистора 1.1 Ь вЂ” напряжение эмиттер — коллектор и ток коллектора транзистора l.2; г — напряжение на конденсаторе 2.1; d — напряжение на конденсаторе 2.2).

Ключевой преобразователь (фиг.1) содержит N транзисторов 1.1 — 1.п и N последовательно включенных конденсаторов 2.1—

2 и. Блок 3 управления имеет N выходов, присоединенных к базам транзисторов 1.1—

1.п, Дрессель 4 имеет N — 1 основных обмоток, каждая из которых разделена промежуточным .отводом на участки: первая основная обмотка. на участки 5.1 и 5.2.1., вторая — на 5.2.2 и 5,3,1 и т.д., а последняя— на участки 5;п.2 и 5.п — 1.2.

N резисторов 6.1 — 6,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 дросселя 4 и участка обмотки 5.п дросселя 4 и транзистора.3.п соответ.ственно, Коллектор транзистора 1.1 соединен с первым силовым выводом транзисторного коммутатора, соединенного с источником питания 7. Эмиттер транзистора 1.п соединен с первым выводом нагрузки 8. При этом силовые электроды к-го транзистора (к — число ряда 2,3,4,..., и — 1) присоединены к разноименным выводам встречно включенным диодом 9. В транзисторном коммутаторе обеспечивается равномерное распределение напряжения на закрытых транзисторах и благоприятная траектория рабочей точки при их переключении, а именно при включении снижение напряжения происходит раньше, чем нарастание тока, а при выключении спад тока происходит раньше, чем нарастает напряжение. 2 э.п. ф-лы, 3 ил. участков обмоток 5.к.1 и 5.к;2. Соотношение числа витков в участках обмоток 5.1 и 5.п.2 дросселя 4 для случая равномерного деления напряжения между всеми транзисторами вдвое больше числа витков всех остальных участков обмотки 5.к.t и 5.к.2

Между первым выводом источника 7 питания и коллектором транзистора 1.2, между эмиттером к-го транзистора и первым выводом нагрузки 8, между эмиттером и-го транзистора и первым силовым электродом к+2 транзистора встречйо с источником 7 питания включены основные диоды 9.1, 9 и, 9,2,..., 9.(n-1) соответственно.

Параллельно выводам источника питания подключена последовательная цепь из,дополнительной обмотки 5.(п+1) дросселя 4 и встречно включенного дополнительного диода 10, причем количество витков обмот20 ки 5.(п+1) равно сумме всех витков обмоток

5.1 — 5,п.

В случае N=2 ключевой преобразователь (фиг.2) содержит транзисторы 1.1, 1,2, конденсаторы 2,1, 2.2, блок 3 управления, 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 питания, нагрузку 8, основные диоды 9.1, 9.2 и дополнительный диод 10.

При И=2 (фиг,2) ключевой преобразователь работает следующим образом.

Когда с блока 3 управления на транзисторы 1.1, 1,2 поступает запирающий сиг35 нал, транзисторы 1.1, 1.2 находятся в выключенном состоянии, В участках обмотки 5.1, 5.2 дросселя 4 ток равен нулю, а конденсаторы 2,1, 2.2 заряжены, примерно, до половины напряжения источника пита40 ния.

В момент времени to (фиг.3) блок 3 управления вырабатывает открывающий управляющий сигнал. В силу технологического разброса при изготовлении транзи45 сторов 1.1, 1.2, элементов блока 3 управления и т,д., транзисторы 1.1 и 1.2 включатюся не одновременно. Пусть, на1624639 пример, первым включается транзистор 1.2, через силовые электроды транзистора 1.2 и дроссель 4 начинает протекать ток заряда конденсатора 2.2 и ток разряда конденсатора 2.1, В момент tg открывается транзистор 1.1.

Через силовые электроды транзистора 1.1 с постоянной времени, определяемой индуктивностью обмоток дросселя 4, устанавливается ток нагрузки 1н. После включения транзистора 1.1 возникает сложный процесс иэ нескольких энергообменов между конденсаторами, основной индуктивностью дросселя 4 и индуктивностью рассеивания обмоток 5.1, 5.2.

При открытых транзисторах 1.1, 1.2 конденсаторы 2,1, 2.2 разряжены, через дроссель 4 протекает ток нагрузки f, В момент времени tz блок 3 управления подает запирающий сигнал на базы транзисТороа 1.1, 1.2. Допустим, что в силу указанных выше причин, первым начнет закрываться транзистор 1.1. Уже в начале запирания транзистора открывается диод 9.2 и часть энергии, запасенной в дросселе 4, начинает циркулировать по цепи: участок обмотки 5.2 дросселя 4, транзистор 1.2, диод 9.2, участок обмотки 5.1 дросселя 4. Часть тока нагрузки 8 ответвляется в цепь: источник 7 питания, конденсатор 2.1, обмотка 5.2 дросселя 4, транзистор 1.2, нагрузка 8, источник 7 питания; а часть по цепи: источник 7 питания, запирающий транзистор 1.1, участок обмотки 5.1 дросселя 4, конденсатор 2.2, нагрузка 8, источник 7 питания. В момент времени тз запирается транзистор 1,2, Ток нагрузки при этом поддерживается за счет тока заряда конденсаторов 2.1, 2.2. В точке соединения участков обмоток 5.1 и 5.2 дросселя 4 происходит токообмен между запирающимися транзисторами 1,1, 1.2 и конденсаторами 2.1, 2.2. Дроссель 4 отдает запасенную в нем-энергию конденсаторам 2.1, 2.2,Диоды 9,1 и 9.2 открыты и ток дросселя 4 замыкается по двум цепям: обмотка 5.2 дросселя 4, диод 9.1, конденсатор 2,1 и обмотка 5.1 дросселя 4, конденсатор 2.2, диод 9.2, обмотка 5.1 дросселя 4. Напряжение на конденсаторах 2.1, 2.2 при закрытых транзисторах 1,1, 1.2 равны между собой в силу индуктивной связи между одинаковыми участками обмотки 5.1 и 5,2 дросселя 4.

При работе в широком диапазоне коммутируемых токов и напряжений необходимо введение цепи рекуперации в виде дополнительной обмотки 5.3 дросселя 4 и дополнительного диода 10. При равенстве витков вспомогательной обмотки 5.3 и суммы витков обмоток 5.1 и 5,2 разряд дрос50

40 селя 4 происходит при напряжении на силовых электродах транзисторов 1.1 и 1.2, не превышающем половины напряжения источника 7 питания, В запертом состоянии равномерное распределение напряжения между транзисторами 1,1 и 1.2 обеспечивается резистивным делителем на сопротивлениях 6.1, 6.2.

В случае N>2 (фиг.1) устройство работает аналогичным образом. В исходном состоянии напряжения на транзисторах выравниваются резистивным делителем 6.1—

6.п, При включении любого к-го транзистора на остальных И-1 транзисторах напряжение уменьшается на величину U«, где U«â€” напряжение на конденсаторе, который шунтируется открывающимся транзистором 1,к.

В нагрузке протекает ток перезарядки остальных N — 1 конденсаторов от напряжения

VAIN до напряжения 07/(й-1). При соответствующем выборе емкости конденсаторов 2.1-2 и напряжение на транзисторах до открывания следующего транзистора изменяется не значительно (практически все транзисторы 1.1 — 1.п начинают открываться одновременно, но эквивалентное сопротивление между силовыми электродами изменяется с разной скоростью). По достижении включенного состояния в к-м транзисторе наблюдается небольшой скачок тока, обусловленный подзарядкой к-1 конденсатора, шунтируемого к-1 ранее включенным транзистором, но на динамические потери он существенного влияния не оказывает, так хак транзистор находится уже во включенном состоянии. Во включенном состоянии коммутатора токи в обмотках 5.1 — 5 и дросселя 4 равны току нагрузки 8.

При включении транзисторного коммутатора первым выключается, например,. транзистор 1,к. Ток нагрузки начинает протекать через конденсатор 2.к, открываются диоды 9.(к-1) и 9.(к+1). Напряжение на силовых электродах транзистора 1.к равно сумме напряжений на конденсаторе 2.к и на любом из остальных конде нса оров 2,1 — 2.п.

Напряжение на конденсаторах 2.1 — 2. и, зашунтированных транзисторами 1.1 — 1.п начинает возрастать благодаря зазору конденсаторов 2.1 — 2.п разностным токам дросселя 4 и уменьшающимся током нагрузки.

Под воздействием запирающего напряжения транзисторы закрываются, При достижении на любом шунтирующем конденсаторе 2.1 — 2,п напряжения UNPIN от45 крывается диод 10 и остаточная часть энергии дросселя рекуперируется в первичный источник 7 питания, 1624639

Таким образом, в предложенном ключе. вом преобразователе с. последовательным включением транзисторов в транзисторном коммутаторе введенные цепи и связи одновременно формируют оптимальную траек- 5 торию переключения транзисторов и обеспечивают равномерное распределение напряжений на транзисторах, что позволяет повысить КПД и надежность. .Формула изобретения 10

1. Ключевой преобразователь, содержащий по меньшей мере один транзисторный коммутатор, силовые выводы которого через-выходные выводы подключены к входным выводам, состоящий из.N синхронно- и 15 синфазно-управляемых транзисторов, и основных диодов, N конденсаторов,,соединенных в последовательную цепочку, . включенную между силовыми выводами транзисторного коммутатора, и многообмо- 20 точный дроссель, отличающийся тем, что; с целью повышения КПД-и надежности путем уменьшения динамических потерь при переключении, многообмоточный дрос-.. сель выполнен.с N-1 основными обмотками, . 25 каждая из которых имеет отвод от промежуточной точки, транзисторы и основные об. мотки многообмоточного дросселя, чередуясь, соединены согласно-последова- . тельно, причем коллектор первого транзи-- 30 стора соединен с первым силовым выводом транзисторного коммутатора; эмиттер последнего транзистора соединен с вторым силовым выводом транзисторного коммута: тора, а отвод от промежуточной точки каж- 35 дой основной обмотки многообмоточного дросселя соединен с соответствующей точкой соединения смежных конденсаторов последовательной цепочки, причем первый транзистор. вместе с подключенной к его эмиттеру первой основной обмоткой многообмоточного дросселя, последний транзистор вместе с подключенной к его коллектору последней основной обмоткой многообмоточного дросселя и каждый из Остальных транзисторов вместе с подключенными как к их коллекторам, так и к эмиттерам основными обмотками многообмоточного дросселя шунтированы встречно включенными основными диодами, 2. Преобразователь по п.1,. о т л и ч а юшийся тем, что. с целью равномерного распределения напряжения на транзисторах,. участок первой основной обмотки многообмоточного дросселя между отводом и. крайним выводом, подключенным к эмиттеру первого транзистора, и участок последней основной обмотки многообмоточного дросселя 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. Преобразователь йо п.1, о т л и ч а юшийся тем, что в многообмоточный дроссель введена дополнительная обмотка,.соединенная через введенный дополнительный диод, включенный встречно с входными выводами для подключения источника питания.

1624639

Фиа >.

Составитель В.Моин

Редактор. Т.Лазоренко Техред М.Моргентал Корректор Н.Ревская

Заказ 200 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский. комбинат Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101