Ключевой генератор

 

Изобретение относится к импульсной технике и предназначено для использования в качестве ключевых генераторов, конверторов в импульсных источниках вторичного электропитания и других радио9'^технических устройствах большой и средней мощностей. Ключевой генератор содержит формирователь импульсов 1, транс- Форматор 2, два усилительных 3, 4 и два ключевых 5. 6 элемента, два фильтра 7, В нижних частот, два диода 9,10, а ключевые и усилительные элементы выполнены на биполярных транзисторах. Такая совокупность блоков и связей обеспечивает противофазное управление ключевыми элементами через один трансформатор при обеспечении задержки включения ключевых элементов, достаточной для устранения сквозных токов, при фронтах включения не более 0,1-0,2 мкс. Это позволило повысить энергетическую эффективность и обеспечить надежную работу ключевого генератора. 1 ил.(ЛсXI00О00о

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (53)5 Н 03 К 17/60

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ /

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4930654/21 (22) 22.04.91 (46) 07.12.92, Бюл. ¹ 45 (71) Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор" (72) B. А. Александров, В. А. Галахов и В. Л.

Куликов (56) Патент США ¹ 4092610, кл. Н 03 К

17/60, 1980.

Патент Франции № 2591831, кл. Н 03 К 17/60, 19.06.87. (54) КЛЮЧЕВОЙ ГЕНЕРАТОР (57) Изобретение относится к импульсной технике и предназначено для использования в качестве ключевых генераторов, конверторов в импульсных источниках вторичного электропитания и других радио„„Я „„178018G А1 технических устройствах большой и средней мощностей. Ключевой генератор содержит формирователь импульсов 1, трансФорматор 2, два усилительных 3, 4 и два ключевых 5, 6 элемента, два фильтра 7, 8 нижних частот, два диода 9, 10, а ключевые и усилительные элементы выполнены на биполярных транзисторах, Такая совокупность блоков и связей обеспечивает противофазное управление ключевыми элементами через один трансформатор при обеспечении задержки включения ключевых элементов, достаточной для устранения сквозных токов, при фронтах включения не более 0,1 — 0,2 мкс. Это позволило повысить энергетическую эффективность и обеспечить надежную работу ключевого генератора. 1 ил.

1780180

Изобретение QTHocUlTcff к импульс««ОЙ технике и предназначено для использования В качестве ключевых генераторов, конверторов в импульсных источниках вторичного электропитания и других радио- 5 технических устройствах большой и средней мощностей.

Известны ключевые генераторы,содержащие формирователь импульсов и оконечные каскады на полевых транзисторах, i0 выполненные по двухтактным или по полумостовым схемам. Для устранения сквозных токов, протекающих через ключевые элементы в известных устройствах использованы демпфирующие дроссели, включен- 15 ные между транзисторами (пат. США

4626715), либо RC-цепи, обеспечива«ощие задержку включения транзисторов, Известные технические средства позволяют обеспечить надежную работу ключевых 20 генераторов, выполненных на полевых транзисторах, без существенного увеличения мощности потерь. Это обстоятельство объясняется высоким быстродействием полевых транзисторов и, в частности, малым 25 фронтом включения даже при наличии на их входе интегрирующей цепи.

Недостатком известных устройств является ограниченная мощность канала кл«очевого генератора на полевых транзисторах и 30 недостаточная энергетическая эффективность вследствие наличия конечного сог ротивления их канала в открытом состоя« ии, Так, на отечественных полевых транзисторах, например типа 2П 922А, может bbïь 35 выполнен ключевой генератор IIÎ полу«10стовой схеме с максиvlàëüíой выходной мощностью до 300 ВА при КПД порядк«1

80...85 „. Такие генера|ор",:. "0«toce рабочих IBO t OT до 200...400 КГ ц . po ",-,ры Ва ют 40 аналогичны« 1 генераторам, выпол«:..нным на биполярных транзисторах. Так. ««апри ер, кл«очевой генератор на транзисто эах

2Т 866 А может развивать ttblxogt;yfo мощность до 1 к ВА при КПД до 90...95";. О, «,нзко -I5 такие ключевые генераторы в силу большей инерционности выключения б tool? <10«lht>. транзисторов и недостаточной крутизны их вкл«очения требуют реализации дополнительных мер для устранения сквозных токов 50 и обеспечения их надежной и эффективной работы.

Известны ключевь1е генераторы с OKOнечными каскада«ли,BbffloRHOH«thfì f Iÿ бtlи 0 Il tf p H bf x T p а «< 3 и c T 0 р B x, В I(0 T 0 I f bl х 55 устранение скВОзных тОкОВ дОстигается за счет формирования Отдельttblx сип«алов управления каждому из ключевых элементов с задержкой фронта включения. В этом случае импульсные сигналы усиливаются раздельными предварительными усилителями и требуют использования отдельных звеньев гальванической развязки, что значительно усложняет схему устройства, Введение в кл«очевой генератор, выполненный на биполярных транзисторах, демпфиру«ощих дросселей связано с существенными потерями мощности и с дополнительíb«M выбросом

««апря>«<ения на закрытых ключевых элементах, ITo приводит к ухудше««ию энергетической эффективности и сказывается на понижении надежности работы устройства.

Наиболее близким к предлагаемому является кл«очевое устройство, в котором кл очевой элемеltò, Выполненный на полевом транзисторе, управляется через усилительный элеме««т, так>кг Выполненный на полево«л транзисторе. ««епосредственно от вторич««ой обмотки трансформатора. При этом включение усилительного элемента в цепь управления мощным ключевым элементом позволяет обеспечить задер>кку его

Включения, требуему«о для устранения

СКВОЗНЫХ ТОКОВ, Устройство-г«рототип содер>кит формирователь импульсов, прямой и инверсный

Выходы которого подключены к первичной обмотке трансформатора, Вторичные обмотки которого Оре3 ус ил ител ь««ы е эл еме н ты подклlo«е««LI к входам управлеftèÿ кл«очевых элеме««тов, включенных последовательно ма:кду шинами электропитания.

Ус-ройство-прототип работает следующим образом. Формирователь импульсов формирует прямую и инверсну«о импульснуо последовательность типа меандр зада ««ои «астоты и уровнем мощности, g1ocT3To«Ht для перекл«очения кл«очевых элем IITñ В. ЭT f импульсна I последовательность пс. вдается через импульсный трансформатор и усилительные элементы и поступает на Входы управления ключевь««ли !

I8t te«1тами, СООтвстстВу«огцие Вывсды BTQ ри :- ых обмоток подкл«очены также ко вхолам управления,силительных элементов, bûïî "IнанItûõ ilà полевLIх транзисторах.

Вследствие задержек вкл«очения усилительt:ûx элементов, обусловленных сопротивле«гисм их Входной цепи и емкостью затвора, формируется задержка Включения ключе-.,ûõ элементов, что обеспечивает устране««ие сквозных токов в оконечном каскаде кл«о «евого генератора, Выполнение ключеВых элементов на полевых транзисторах позволяет обеспечить хороший фронт их вкл очения (ме«лее 200 «Ic) после формирования задержки и Tef самым уменьшить динамические потери в ключевых приборах.

Недостатком устройства-прототипа я вляется недостаточная мощность ключевого

10

3 v

55 генератора и сравнительно низкая его эффективность из-за сопротивления канала открытых полевых транзисторов, Ключевой генератор, выполненный по известной схеме на полевых транзисторах типа 2П 901 в усилительных элементах и транзисторах 2П

922А, используемых в качестве ключевых элементов, позволяет обесгечить выходную мощность на согласованную резонансную нагрузку до 250 Вт при КПД порядка 80 Д.

Необходимо отметить, что параллельное включение полевых транзисторов в ключевых элементах для увеличения выходной мощности генератора приводит к ухудшению массогабаритных характеристик устройства, его удоро>канию и, в конечном счете, к понижению надежности вследствие увеличения количества элементов. В случае использования в оконечном каскаде устройства прототипа биполярных транзисторов (например типа 2Т 841А, 2T866A) для устранения сквозных токов необходимо обеспечить задержку их включения порядка

0,2...0,8 мкс, что приводит к увеличению длительности фронта включения и соответственно к росту потерь мощности. Так, на частотах переключения порядка 100...200 кГц в известном устройстве при выходной мощности не более 500 Вт КПД не превышает 75%. Использование в качестве усилительных элементов полевых транзисторов при применении ключевых элементов на биполярных транзисторах препятствует введению диодной обратной связи и соответственно не дает возможности обеспечить ненасыщенный ре>ким работы транзисторов оконечного каскада, Цель изобретения — повышение надежности при увеличении выходной мощности ключевого генератора.

Поставленная цель достигается в устройстве, содержащем формирователь импульсов, подключенный прямым и инверсным выходами к первичной обмотке трансформатора, первая и вторая вторичные обмотки которого соединены первыми выводами с первыми выводами первого и второго ключевых элементов, входы управления которых через первый и второй усилительные элементы подключены к вторым выводам первой и второй вторичных обмоток трансформатора, причем первый и второй ключевые элементы включены последовательно между шинами электропитания, а точка их взаимного соединения является выходом устройства, посредством введения в его состав первого и второго фильтров нижних частот, первого и второго диодов, выполнения усилительных и ключевых элементов на биполярных тра: зисторах и снабжения вторичных обл,оток трансч>орматора повышающими отводами, Выводы которых подключены к входам первого и второго фильтров нижних частот, выходы которых подключены к входам управления первого и второго усилительных элементов и через первый и второй диоды соединены с вторыми выводами первого и второго ключевых элементов.

Применение в ключевом генераторе новой совокупности блоков и связей позволяет обеспечить повышение мощности за счет использования силовых биполярных транзисторов, устранить сквозные токи и уменьшить динамические потери мощности на переключение при противофазном управлении ключевыми элементами. Предлагаемая совокупность блоков и связей в устройствах рассматриваемого класса ранее не использовалась и является новой. Причем отличительные существенные признаки заявляемого технического решения позволяют улучшить основные технические характеристики ключевого генератора, а именно повысить его надежность при повышении энергетической эффективности. Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

На чертеже приведена структурная схема предлагаемого ключевого генератора.

Ключевой генератор содержит формирователь 1 импульсов, трансформатор 2, усилительные элементы 3 и 4, ключевые элементы 5 и б, фильтры 7 и 8 нижних частот и диоды 9 и 10.

Формирователь 1 предназначен для формирования импульсной последовательности типа меандра заданной частоты и требуемого уровня л.ощности, достаточного для возбуждения через трансформатор 2 и усилительные элементы 3, 4 ключевых элементов 5, б. Формирователь 1 может быть выполнен на задающем генераторе и двухтактном либо мостовом предварительном усилителе.

Трансформатор 2 предназначен для гальванической развязки и согласования выхода формирователя с входами управления ключевых элементов 5, б, Трансформатор 2 содержит две противофазные вторичные обмотки, снабженные дополнительными повышающими отводами. Как правило, для эффективного возбуждения ключевых элементов 5, 6, выполненных на биполярных транзисторах, через биполярные транзисторы усилительных элементов

3, 4 достаточно иметь амплитуду импульсов на основных выводах вторичных обмоток порядка Vz=4...5 В. При этом максимальная

1780180

Вал ичинс3 тока Вторичных Оомоток ОпГ38де

BÿQ3ñë ".îîòíîøåíèåì

l „„, (1)

/ ) M )I I I гда lн,„„, — максималы!Ы)л Bb!Xoq!,ой ток кл!о IQвого генератора;

/),, „, — минимальный коэффициент у(-иле)-:ия пo току биполярных транзисторов кл)0 IQBbi>< элементов 5, б.

Усилительные элементы 3, 4 обеспечиBBIoT регулировку входного тока управле) ия бипслярными транзисторами ключевых элементов 5. б, à —àê,æå служат для достижения требуемой задержки их вкл!очения при 14Nнималь!!ой длительности фронта выходных импульсов кл!Очевого генератора. УсилиTQnbi!biQ элементы выполня!отся на биïoлярных транзисторах с высокими импул ьсн ыми характеристика!ли, большим

КОЭ(4)фиЦИСНТОМ У СИЛВНИЯ ПО ТОК))()Л ДОЛЖНЫ

20 быль рассчитаны на передачу максимального тока Возбуждения силовых биполярных транзисторов. Регулировка величины тока возбу>кден!ля обеспечивается за с-!Вт icпользования диодной обратной связи через диоды 9, 10, вкл!Оченной между Входами усилительных элементог 3, 4 и колле

) ( потенциал на база силовых транзиcTоров В

01 к рытс) 4 cocToÿ нил на ii p!)L?b шаа i пoта! 1-!

l,иала кОл IQKTopа, ч(зм Обес("е ив. -.-.атс:-: 1)х работа B !»е!!ась!щенно) режима, Вкл!ОчсО:< Вача ! 1 . bi x

B,,! o3I,Ho .>I 0l)pBTH0й,Я з)0 Во l?YÎ 3Hvlo LIQI»b (иловых 3 и;»н»!л то(30(3 с o çволяе-1- губ)ес.!8— и- ь п1?эгакoíLIQ тока через споричнь!е o=г 1 О т к и ), ) а н с <ф »О р м г т 0 О а 2, м !4 ! и ! а i I b l -: О дс)",!атс чногo для поддар". B. . q силовь;х

Т "! а ! 3 Н .. O p O B В o T I . p h . T 0 i 1 C O (; T 0 L H I ь I 1 р 1 0 С40

TBTo Ho.1 напря..каHIII! 1..2 l1

l, (t)

f ? ! (-) 5

Усилительные элеман! h! 3, 4 дог!Ол,,:с!—

-!ЕЛ Ь Н» C0 BQP>l

ВTop!Iч);ых 05MoTI Tp 3Hñôo)3ìBòopý, Гlpli частот )K ":îììóòàöèè до 100...200 к10 В клчесTB8 биполярных транзисторов уcèi..ительных злеi снтoв м0)Kí0 13аком8нg(ОBать использование транзисторов типа 2Т972А. и!.)еющ!4Х коэффициент усиления по таку ! Г; !

) Не мена--", 100 и гра,ILIH)lуа частоту более

10 МГ ц, В качестве диодов Обратной св«зл и,,,: одс)B „.,ля фар с»ро!?)?нног0 Выкл)о )ения

B составе усилитель)lûx элема)»тов могут бьггь использованы диодь Tèï(1 2Д212А, Фильтры 7, 8 нижних частот предназначены для Обеспечения задержки включения гран:зисторов усилительных элементов 3 и 4 и соотвегственно силовых транзлсгоров ключевых элементов 5, б, на время т, достаточное для надежного запирания ранее и роводящего силового транзистора. При этом после задержки должны быть обеспечены быстрое Включение силового транзистора и минимальная длительность фронта выходного импульсного напряжения ключевого генератора. Фильтры 7, 8 представля)от собой (С-фильтры второго порядка с добротностью около 2...3 LI постоянной времени. определяемой из требуемой величины задержки Вкл)о »ения. — /R =-2...3

С (4)

На вход фильтров 7, 8 поступает напряжение с дополнителы ых отводов вторичных обмоток трансформатора, величина которого составляет около 8...10 В (т,е. вдвое больше Iåм напряже!1ие на осноBíoM

Выводе вторичной обмотки). Величина резистороь фильтров 7, 8 выбирается из условия

Обеспечения достато !)»ОГО 31!Вчания .?ход ;,0г0 тока усилительных элементоB

3!;, Г< = 212 ),)1)„б/3)41„,! (5)

Г) где I i;„I — ми)4!1!.»ал(,нь)й коэффициен) пере,»в-:и ПО ;Ок, Tранзис;oðов усилиlåëbíûх

В <лl(iчP)!ие фильтpclв таKОГО ти;Iа по

Входу vr илнтел ы I 1=! х ъ! ме! I1 ;E? ПÎзволяеT обеспечить требуему)о задеря<ку вкл!очения силовых транзисторов B зависимости) от их .:#II<3 В диаг!Взо!!е т =0,3...1,5 мкс при дллга iibi»oc-: и фроii: а Включения т<»: =

1<У)ючеаыа элема)4 гы 5, б ВыполнЯютсЯ

l l3 Ссli .О Вbl X ЬИ !Olla pLI blX TpBHB ICTop BX, I I B .,рл"Iар тиг)а 2 ГВббд, 2Т841А, Вкл!о IQHLIbix г>

: «лумос)ову;о схему кл!очевого гансратора, .-. !радназ:-!аче! ы для кл;О-IQBQI усиления D l10сЦН0СТИ СИМ IQTPLIЧГ!Ой ИМПУЛЬСНОЙ ПОсладователы!ости, Причем в предлагаемом устройстве Обеспечивается использование силовых биполярных транзисторов в ненасыще !HO!I режиме пр)л обеспечении задержки х Включения, чсм достигается

liç,?8;I

800...1000 Вт.

Предлагаемое устройство работает следу!о!Дим образом.

Формиро!затель 1 импульсов формирует две противофазные импульсные последовательности типа меандра, поступающие на (!Орви 1!»у)о обмотку трансформа ора 2. Г1 ри

1780180

10 райстве, выполненном на биполярных транзисторах, например типа 2Т855А, 2Т841А, при тех же условиях достигается выходная мощность до 800 — 1000 Вт при КПД порядка

90-95 Использование в устройстве-прототипе более мощных биполярных транзисторов ограничено понижением надежности их работы вследствие сквозных токов и больших динамических потерь во время фронта включения, В предлагаемом устройстве сквозные токи через силовые биполярные транзисторы устранены при малой длительности фронта включения (менее

0,1-0,2 мкс), чем обеспечивается уменьшение динамических потерь и повышение надежности рабаты ключевого генератора.

Составитель Л,Скобелева

Техред M,Ìîðãåíòàë Корректор М.Демчик

Редактор

Заказ 4441 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 этом во вторичных обмотках на основных отводах формируется противафазные импульсные напряжения, амплитудой Чг=4„,.5

В, На повышающих отводах вторичных обмоток напряжение достигает 2 Чр, Такое напряжение, поступая через фильтоы 7, 8 нижних частот на входы управления усилительных элементов 3 и .4, обеспечивает их эффективное включение через временной интервал t =0,3 — 0,8 мкс после фронта импульса на вторичной обмотке. Наличие диодной обратной связи (диоды 9, 10) с входов управления усилительных элементов 3, 4 на коллекторные выводы ключевых элементов

5, 6 ограничивает базовый ток отпирания силовых транзисторов на минимально достаточном уровне. Таким образом усилительные элементы 3., 4 выполняют функцию регулирования тока, протекающего через вторичные обмотки в базовые цепи ключевых элементов 5, 6, чем обеспечивается их работа в ненасыщенном режиме при малом остаточном напряжении, При смене полярности напряжения на вторичных обмотках (lг< О) через диоды, входящие в состав усилительных элементов, обеспечивается форсированное выкл ачение силовых транзисторов. В ремя выключения составляет 0,2 — 0,7 МКс и не превышает задержку включения r .

В предлагаемом устройстве обеспечивается противафазное управление силовыми ключами через один трансформатор при обеспечении задержки включения кл1очевых элементов, достаточной для устранения сквозных токов и фронтах включения не более 0,1-0,2 мкс, т.е. использование изобретения обеспечивает повышение надежности работы ключевого генератора, выполненного на мощных биполярных транзисторах, Введение в предлагаемое устройство новой совокупности блоков и связей позволило повысить энергетическую эффективность и обеспечить надежную работу ключевого генератора при повышении его выходной мощности. Так, если в устройствепрототипе, выполненном на полевых транзисторах, например типа 2Т922А, при частотах коммутации порядка 100 — 200 кГц достигается выходная мощность 300 ВА при

КПД не более 85%, то в предлагаемом уст20

Формула изобретения

Ключевой генератор, содержащий формирователь импульсов, подключенный прямым и инверсным выходами к первичной обмотке трансформатора, первая и вторая вторичные противофазные обмотки которога соединены первыми выводами с первыми выводами первого и второго ключевых элементов, соответственно, входы управления которых через первый и второй усилительные элементы подключены к вторым выводам первой и второй вторичных обмоток трансформатора соответственно, причем первый и второй ключевые элементы включены последовательно между шинами электропитания, а точка соединения является вь,хадом генератора, а т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения надежности при увеличении выходной мощности, в него введены первый и второй фильтры нижних частот, первый и второй диоды, усилительные и ключевые элементы выполнены на биполярных транзисторах, а первая и вторая вторичные обмотки трансформатора соединены последовательно с первой и второй дополнительными обмотками, соответствующие выводы которых подключены к входам первого и второго фильтров нижних частот соответственно, выходы которых подключены к входам управления первого и второго усилительных элементов соответственно и через первый и второй диоды — к вторым выводам первого и второго ключевых элементов соответственно.