Плечо моста и полууправляемая электронная пара

 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в импульсных преобразователях постоянного тока или преобразователях частоты . Цель изобретения - повышение КПД - достигается путем уменьшения потерь мощности. Плечо моста содержит полностью управляемый электронный ключ и неуправляемый вентиль. Для достижения поставленной цели введен конденсатор, выводы которого непосредственно соединены с электродами, благодаря этому соответственно шунтируются или блокируются паразитные индуктивности линии контура выпрямленного напряжения, к которому подключается данное устройство. 2 с.и 2 з.п. ф-лы, 9 ил. 8

4 Е 4 4 °,.SU„, 1649 4

QQO3 СОВЕТСНИХ

О,И

РЕСПУБЛИН (51)5 Н 03 К 17/08

И

%ИЦ ,- А

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И QTHPblTMSM

ПРИ ГКНТ CCCP

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (89) Ш)/ 230138 (21) 7773764/21 (22) 26.02.85 (31) WP Н 03 К/261014 (32) 19. 03,84 (33) DD (46) 15.05.91. Бюл. Р 18 (71) ФЕБ Электропроект унд Анлагенбау Берлин (DD) (72) Якоб Кристиан (РП) (53) 621.318 ° 57(088.8) . (54) ПЛЕЧО МОСТА И ПОЛУУПРАВЛЯЕМАЯ.

ЭЛЕКТРОННАЯ ПАРА (57) Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано:

Изобретение предназначено для коммутации токов с индуктивной составляющей и может применяться преимущественно в импульсных преобразователях постоянного тока, преобразователях частоты с промежуточным контуром постоянного тока и в непосредственных преобразователях частоты.

Самоотключающпеся полупроводниковые приборы, работающие в режиме ключа, например биполярные транзисторы, униполярные транзисторы и ГТО-тиристоры, называющиеся также однонанравленными ключами, так как у них протекание главного тока в рабочем режиме ограничено одним направлением, в максимально возможной мере должны освобождаться от динамических потерь, чтобы сравнительно чувствительные и

2 в импульсных преобразователях постоянного тока или преобразователях частоты. Цель изобретения — повышение

КПД вЂ” достигается путем уменьшения потерь мощности. Плечо моста содержит полностью управляемый электронный .ключ и неуправляемый вентиль. Для достижения поставленнок цели введен конденсатор, выводы которого непосредственно соединены с электродами, благодаря этому соответственно шунтируются или блокируются паразитные индуктивности линии контура выпрямленного напряжения„ к которому подклю.чается данное устройство. 2 с.и 2 з,п. ф-лы, 9 ил. дорогостоящие самоотключающиеся полупроводниковые приборы максимально могли использоваться током нагрузки (связанным со статическими потерями).

Известны такие решения, включающие разгрузочные контуры, работающие беэ потерь (патент ФРГ Р 2639589, кл. Н 03 К 17/08, 1982). .Такие свободные от потерь разгруг зочные схемы требуют большого количества схемных элементов и ведут к ограничению возможностей применечия

1(частота импульсов, запас времени, активная защита) и к низкому использованию полупроводниковых приборов токами нагрузки ввиду дополнитель,ных разрядных токов схемы разгрузки.

Известные монтажные контуры обладают дополнительными недостатка1649644 ми, когпа две пары в плече моста, состоящие из последовательно включенных одноправленного ключа и нулево/ го диода, соединяются по антипараллельной схеме, например„ для создания инверторных схем.

По этой .причине в заявке ФРГ й- 3120469, кл. Н 03 К 17/08, 1982 (прототип) предлагается состоящая из однонаправленного ключа и нулевого вентиля пара, включенная между полюсами источника напряжения постоянного тока., содержащая дроссель разгрузки при включении, конденсатор разгрузки при отключении и работающий в униполярном режиме накопительный конденсатор в качестве третьего накопителя энергии, обеспечивающего временное промежуточное накопление энергии двух остальные реактивных элементов. Кроме второго нулевого вентиля, для каждой пары в плече моста еще требуются дополнительные диод разгрузки при отключении и запирающий диод. При антипараллельном включении двух таких пар, одна из которых должна быть рассчитана на положительный ток нагрузки, а другая— на отрицательный, имеется возможность протекания тока нагрузки в обоих направлениях. Однако для этого требуется развязка пар в плече при помощи диодов и/или индуктивностей.

Цель изобретения — повьппение

ИЩ путем уменьшения потерь мощности.

На фиг. 1 дана полууправляемая электронная пара в плече моста для

\ положительного выходного тока; на фиг. 2 — то же, для отрицательного выходного тока; на фиг. 3 — временная вольт-амперная характеристика полууправляемой электронной пары в плече моста с параллельным конденсатором с учетом паразитных индуктивностей проводов; на фиг. 4 — импульсный преобразователь постоянного тока с парой в плече моста, на фиг. 5 — преобразователь частоты с парами в плече моста; на фиг. 6— обладающие малыми индуктивностями системы полупроводниковый прибор— охладитель соответствующей изобретению пары в плече моста для положиJ тельного выходного тока; на фиг.?, Зи, 9 — примеры реализации электронной па- ры согласно п.3 формулы изобретения.

Изобретение исходит из того, что паразитные (в большинстве случаев указываемые в схемах) индуктивности из контура постоянного тока, в который включена такая электронная пара, должны быть сокращены в такой мере, чтобы динамические потери снизились до уровня, допускающего отказ от разгрузочных контуров или соответственно их минимизацию. При этом должно быть учтено то обстоятельство, что уже на каждом участке провода, на котором токи включаются и выключаются при достигнутых в настоящее время скоростях изменения тока (порядка мкс), в процессе коммутации возникают внутренние перенапряжения °

На фиг. 1 показана электронная пара ZP++ в плече моста, состоящая из включенных последовательно включаемого и отключаемого управляемого. полностью электронного ключа T .и неуправляемого вентиля D1. В качестве ключа Т предусмотрен самоотключающийся .полупроводниковый прибор, например биполярный транзистор. Однако представляется возможным вместо него применить униполярный транзистор или отключаемый ГТО-тиристор. Вентиль

D 1 представляет собой неуправляемый полупроводниковый прибор, например диод, который в коммутационном режиме "токопроводящий" или "запирающий" ведется ключом Т. При представленной на фиг. 1 поляризации данная пара при включенном ключе Т способна к ведению положительного выходного тока (i О) в точке подключения нагрузки L. Согласно изобрете40 нию параллельно к включенным -после-. довательно ключу Т и вентилю 01 подключен конденсатор С, выводы которого непосредственно соединены с электродами Е1 и Е 2 пары ZP + . Бла45 годаря этому соответственно шунтируются или блокируются паразитные индуктивности линии (L0 на фиг.4 и 5) контура выпрямленного напряжения, к которому подключена пара ZP +, 50

Одинаковый принцип действия пары в плече моста получается в том.. случае, когда изменяются полярность источника напряжения постоянного тока полярность ключа Т и полярность вентиля D1. B результате возникает пара ZP —, способная к ведению от55 рицательного выходного тока (i 1(0) (фиг.2) . При. параллельном соединении обе пары ZP +, ZP —, соответст5 164964 венно ведущие положительный или от рицательный выходной ток, пригодны для управления переменным током

I (iä< 0) .. При таком параллельном соединении ведущей положительный выходной ток пары ZP + и ведущей отрицательный выходной ток пары ZH— обеим парам ZP +, ZP — совместно. может быть присвоен параллельный конденсатор С

Конденсатор С включен так, что при переключениях (коммутациях) тока нагрузки с ключа Т на вентиль П1 и наоборот индуктивные составляющие входного тока или соответственно выходного тока iö протекают через конденсатор С . При коммутации тока в такой паре ZP с учетом паразитных линейных индуктивностей получаются по- 20 казанные на фиг.3 временные вольтамперные характеристики. Процесс переключения с диода П1 на транзистор Т пары в плече управляется через управляющий вывод транзистора Т посред- 25 ством тока управления х (фиг3,5).По истечении времени задержки включения

tg транзистор Т начинает воспринимать ток (ток коллектора i на фиг.3,а). Так как протекание тока ig 30 от источника напряжения постоянного тока через транзистор Т ввиду линейной индуктивности создается медленно (фиг.З Д),конденсатор С.кратковременно должен представлять выходной ток пока не будет создан ток ig из контура напряжения постоянного тока.

Одновременно конденсатор С р при переключении выходного тока i с дио0 да П1 на тразистор Т должен предо- 40 ставлять реактивный ток для запирания диода П1. Благодаря этому транзистор Т в течение времени задержки запирания диода D1 может работать в активной зоне (высокая мощность по- 45 терь в транзисторе), Процесс прекращения тока от накопления носителей за- ряда в диоде П1 ввиду наличия лишь минимальных паразитных индуктивностей проводов вызывает минимальные пе- 50 ренапряжения у транзистора Т, работаю щего в активном режиме. Таким образом, можно отказаться от разгрузки включения транзистора Т, Выходной ток i временно предоставляемый 55 конденсатором С и ток выключения

i9 диода П1 суру7ся и образу т ток конденсатора i, из которого выI читается ток id, создаваемый конту4

6 ром напряжения Постоянного тока (фиг.3,d).

На фиг.3 с линией 1 в процессе включения во время нарастания тока или снижения напряжения t обозна1 чена характерная точка, в которой напряжение в точке подключения нагрузки L переключается с диода П1 на транзистор Т.

Если транзистор Т снова должен отдать выходной ток, что производится за счет реверса тока управления i (фиг. 3, о линия 2), на время накойления t транзистора Т ток

i< в коллекторе транзистора Т проролжает протекать до начала времени спада tg. Одновременно продолжает нарастать напряжение коллектор — эмиттер 0, ибо только когда напряжение коллектор — эмиттер U достигло напряжения контура напряжения постоянного тока Ug, диод D1 может отпираться и принять на себя выходной ток i в течение времени спада t . Ток id от источника напряжения постоянного тока Ud на короткое время продолжает протекать за счет линейных индуктивностей. Этот ток принимает конденсатор Ср, за счет чего немного повышается напряжение конденсатора У (фиг;3,8).Иалоиндуктивное соединенйе конденсатора С допускает быстрое переключение тока нагрузки i < с транзистора Т на диод

П1 и наоборот, причем сохраняются малые значения внутренних перенапряжений на транзисторе Т, результирующих иэ неидеальной коммутационной характеристики диода Р1 и быстрых изменений тока на внутренних индуктивностях, а также можно минимизировать разгрузочные контуры или отказаться от них.

В работающих от источника напряжения импульсных преобразователях постоянного тока и работающих от источников напряжения преобразователях частоты с промежуточным контуром постоянного тока (соответственно фиг.4 или 5 при условии, что Lg >) Ь ) конденсатор С как вспомогательный конденсатор сокращает оказывающее влияние на процесс коммутации выходного тока i> параэитные линейные индуктивности до конструктивно-технологически обусловленного минимума, определяемого изготовителем полупропроводниковых приборов. Конденсато1649644 ром С предоставляется коммутационный реактивный ток для процесса переключения выходного тока i с неа самоотключающегося полупроводникового прибора D1 на самоотключающийся полупроводниковый прибор Т. Независимо от структуры устройства реализуется явно определенный коммутационный контур, который, в свою очередь, обеспечивает определенный процесс коммутации при необходимости с использованием активного рабочего диапазона (посредством формирования соответственно тока или напряжения управления) самовыключающегося полупроводникового прибора. Это справедливо для различных видов эксплуатации пар ZP в преобразовательных устройствах и независимо от величины коммутируемого выходного тока

Применение конденсатора С являР ется предпосылкой для реализации работающих от источника тока импульсных преобразователей постоянного тока и работающих от источника тока преобразователей частоты с промежуточным контуром постоянного тока (соответственно фиг.5 или 6 при условии, что С = О) на самоотключающихся полупроводниковых приборах. Указанный конденсатор служит ограничению напряжения промежуточного контура

Ug и после каждого процесса коммутации в работающем От источника тока импульсном преобразователе или соответсвенно инверторе предоставляет необходимые уравнительные реактивные токи.

Наряду с ограничением внутренних перенапряжений пары в плече моста и напряжения промежуточного контура постоянного тока параллельный конденсатор С во взаимодействии с диодом

В1 вообще годится для ограничения внешних перенапряжений.

Техническая реализация конденсатора в качестве параллельного конденсатора С для соответствующей изобретению пары в плече моста отвечает известному уровню техники. Применяется малоиндуктивный и обладающий вплоть до высоких частот малыми потерями металлобумажный конденсатор или конденсатор на диэлектрике иэ металлизированной полипропиленовой пленки с контактированным по лобовой части узким рулоном.

Особенно предпочтительно параллельное подключение второго диода D2 к диоду Di оптимизированному по характеристике включения и выключения, а также согласованному с транзистором Т (фиг ° 1 и 2). Применение двух полупроводниковых приборов Р1 и 32 несамоотключающегося типа в качестве нулевого вентиля допускает раздельную оптимизацию с точки зрения полупроводниковой технологии, согласованную с самоотключающимся полупроводниковым прибором. В то время, как диод 01 оптимально согласовывается с характеристикой включения самоотключающегося полупроводникового прибора (коммутационный реактивный ток, емкостные токи), диод 02 в значительной степени определяет характеристику отключения самоотключающегося полупроводникового прибора (превышение напряжения, характеристику коммутации тока нагрузки). Диод D2 при этом по сравнению с диодом 01 должен обладать более коротким временем включения, чтобы на определенное время принять на себя переключаемый с Т на Э1 ток нагрузки да и допустить лишь малое динамическое напряжение пропускания, которое, в свою очередь, исключает нагрузку самоотключающегося полупроводникового прибора недопустимыми напряжениями, значительно превышающими напряжение промежуточного контура .Б 1 . Однако за счет того, что статическое напряжение пропускания у диода D2 принимается большим, 40 чем у диода 01, .достигается самостоятельное переключение тока нагруэхи

i с диода 02 на диод D1. При па раллельном соединении ведущей положительный выходной ток пары ZP + с

45 Ведущей Отрицательный ВыхОднОЙ тОк парой ZP —, поскольку включаемый и отключаемый ключ Т соответственно представляет собой транзистор, транзистор пары ZP — с отрицатель50 ным выходным током в паре ZP + с положительным выходным током одновременно может выгзлнять функцию диода D2, подключаемого параллельно к нулевому вентилю 01, или со55 ответственно транзистор пары ZP + функцию диода D2 в паре ZP — . При изменениях обратного напряжения на диодах Di и D2, которые имеют место во время процессов коммутации„

1649644

5

20

45

55 одновременно в диодах протекают емкостные токи смещения . В отличие от рп-структуры прп- и рпр †структурами могут быть усилены емкостные токи смещения в полупроводниковом приборе при изменениях обратного напряжения ЙБ„/сГ . Поэтому при применении .трайз стора вместо диода D2 возможно выгодное усиление токов. смещения ° При изменении обратного напряжения на рпр-структуре dU /dt(К (0 емкостный ток: и можно усилить в такой мере, что он достигнет величины величины тока нагрузки

Током в указанной рпр-структуре уменьшается ток в самоотключающемся полупроводниковом приборе Т (причем ток нагрузки остается приблизительно неизменным) Во время нарастания напряжения в процессе выключения.

Оно способствует заметной разгрузке

1 самоотключающегося полупроводникового прибора Т за счет значительного сокращения энергии потерь на выключение в течение времени выключения

tong,ускоренному восстановлению об— ратного напряжения U, связанному с сокращением времени выключения t, а также повышению надежности при применении. транзисторов относительно

1-го (напряжения) и 2-го пробоя (мгновенная энергия потерь).

При изменении обратного напря>кения на рпр-структуре dU /dt ) 0 (ин1 версный режим) емкостный ток 1 Hp п2 усиливается, так что не возникает нагрузка самоотключяющегося полупроводникового прибора Т в процессе включения. Кроме коммутационного реактивного тока для выключения диода D1, в течение времени включения t не возоп никают дополнительные нагрузки полупроводникового прибора Т.

Так как энергия, накопленная в выводах конденсатора, в сямоотключающемся полупроводниковом приборе Т . в течениечерезвычяйно короткого времени (t< или соответственно t на фиг.3) преобразуется в тепло, малоиндуктивное исполнение свободной от монтажных элементов пары оказывает решающее влияние на электрическое функционирование.

Геометрическая (пространственная) структура требующихся соединений у пары согласно изобретению определяет ее паразитные индуктивности. На фиг.б показаны некоторые возможные примеры таких малоиндуктйвных комбивяц»й полупроводниковый прибор — охлядитель для ведущих положительный выходной ток пар ZP +, которые являн-тся основой для свободного от монтяжных элемен-тов режима работы. В то же время показанные комбинации полупроводниковый прибор — охлядитель разрешают наиболее эффективное применение обладающих потерями или свободных от потерь разгрузочных контуров, которые могут оказаться необходимыми ввиду специфики полупроводниковых приборов, если эти контуры, в свою очередь, реализуются с геометрическими преимущест— вами.

Формула изобретения

1. Плечс моста, содержащее две полууправляемые электронные пя1>ы, включенные антипаряллельно, каждан полупроводниковая лара образовяня последовательно соединенными полностью управляемым электронным ключ >и и неуправляемым вентилем, то .кя сое.— динения которых подключена к выходной шине устройства, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, " целью повышения КПД, введен конденсатор, а полностью управляемый электронный ключ первой (второй) полупроводниковой электронной пары и неуправляемь>й вентиль второй (первой) полуп.овод;.иковой электронной парь соединены параллельно, г;чкя соединения полностью управляемого электронного ключа первой (второй) полупроводниковой электронной пары с неуправляе>ь ": вентилем второй (первой) полупроводниковой электронной парь подключена к первой (второй) полупроводниковой электронной пары с неуправляемым вентилем второй (первой) полупроводниковой электронной пары подключена к первой (второй) шине питания и первому (второму) выводу конденсатора.

2. Полууправляемяя электронная пара, содержащая полностью управляемый электронный ключ и неуправляемый вентиль, которые соединены после,довательно и включены между шинами питания тем, что полностью упрявляемый электронный ключ включен согласно, а неуправляемый вентиль — встречно направлению протекания тока, точка соединения полностью управляемого электронного ключа и неуправляемого

1649644

12 вентиля подключена к выходной шине устройства, отличающаяся тем, что, с целью повышения КПД путем уменьшения потерь мощности, введен конденсатор, который включен параллельно соединенным последовательно полностью управляемому электронному ключу и неуправляемому вентилю, при этом первый вывод конденсатора соединен с первым силовым выводом полностью управляемого электронного ключа, а второй вывод — с вторым выводом неуправляемого вентиля.

3. Электронная пара по и. 1, о тл и ч а ю щ а я с я тем, что, .с целью уменьшения перенапряжений, на полностью управляемом электронном ключе введен быстродействующий диод, который включен согласно-парал-. лельно неуправляемому вентилю.

4. Электронная пара по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что в качестве полностью управляемого электронного ключа используется биполярный транзистор или униполярный транзистор, или запираемый тиристор.

ZP1649644

1649644

1649644

1649644

ZP+

gp+

Фиа9

Редактор А.Лежнина

Корректор Н.Король

«) Заказ 1525

Тираж 480

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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

Составитель Г.Терешина

Техред М.дидык