Однотактный транзисторный преобразователь

 

Использование: преобразование постоянного напряжения в переменное для систем вторичного электропитания, электропривода и автоматики. Сущность изобретения: силовой транзистор 1 коммутируется при изменении полярности напряжения на первой вторичной обмотке 3 управляющего трансформатора 2. Вторая вторичная обмотка 5 этого трансформатора осуществляет автоматическое регулирование глубины насыщения силового транзистора 1 с помощью дросселя насыщения 7 и первого диода 6. Третья вторичная обмотка 11, имеющая на один-два порядка большее число витков, чем вторая вторичная обмотка 5, размагничивает дроссель насыщения 7 и форсирует запирание силового транзистора 1 по переходу коллектор-база благодаря малому числу витков обмотки 9 этого дросселя. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 Н 02 М 1/08

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Ы 4 4

О (21) 4844108/07 (22) 02,07,90 (46) 15.07,93. Бюл. N. 26 (71) Л ьвовский науч но-исследовател ьский радиотехнический институт (72) B.Í,Ìåëüíè÷óê и Г,А,Гураль (56) Авторское свидетельство СССР

М 1403272, кл, Н 02 М 1/08, 1986.

Драбович Ю.И. и др, Транзисторные источники электропитания с бестрансформаторным входом. Наукова Думка, 1984,с, 93, рис. 35а, (54) ОДНОТАКТНЫЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Использование; преобразование постоянного напряжения в переменноедля систем

„„Я )„„1827707 А1 вторичного электропитания, электропривода и автоматики, Сущность изобретения; силовой транзистор 1 коммутируется при изменении полярности напряжения на первой вторичной обмотке 3 управляющего трансформатора 2. Вторая вторичная обмотка 5 этого трансформатора осуществляет автоматическое регулирование глубины насыщения силового транзистора 1 с помощью дросселя насыщения 7 и первого диода 6. Третья вторичная обмотка 11, имеющая на один-два порядка большее число витков, чем вторая вторичная обмотка 5, размагничивает дроссель насыщения 7 и форсирует запирание силового транзистора 1 по переходу коллектор-база благодаря малому числу витков обмотки 9 этого дросселя, 2 ил.

1827707

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при разработке источников вторичного электропитания переключающего типа, Цель изобретения — повышение КПД за счет уменьшения статических потерь в силовом ключе во включенном состоянии транзистора и динамических потерь при включении силового транзистора.

На фиг.1 представлена схема устройства; на фиг,2 — временные диаграммы, показывающие сравнительный анализ по временам включения, рассасывания избыточного заряда, формирования положительного фронта коллекторного напряжения и напряжения статических потерь во включенном состоянии, Устройство однотактного транзисторного силового ключа содержит силовой транзистор 1, управляющий трансформатор

2, первую вторичную обмотку 3 управляющего трансформатора 2, ограничительный резистор 4, вторую вторичную обмотку 5 управляющего трансформатора 2, первый диод 6, дроссель насыщения 7, состоящий из двух магнитосвязанных обмоток 8 и 9, второй диод 10, третью вторичную обмотку

11 управляющего трансформатора 2.

Устройство работает следующим образом.

При появлении на первой вторичной обмотке 3 управляющего трансформатора 2 прямоугольного импульса положительной полярности (интервал времени t>-t4, фиг,2а) на его второй 11 и третьей 5 вторичных обмотках и на обмотках 8 и 9 дросселя насыщения 7 наводятся ЭДС, полярность которых указана на фиг.1 без скобок, Под воздействием прямоугольного импульса положительной полярности переход базаэмиттер силового транзистора 1 смещается в прямом направлении и через него начинает протекать базовый открывающий ток J6<, величина которого ограничивается резистором 4, В результате этого начинается процесс открывания силового транзистора 1 (интервал времени т1-t2, фиг,2) и через него начинает протекать коллекторный ток, В это же время под воздействием ЭДС, наведенной в обмотке 11 и ЭДС, наведенной в об1 мотке 3, начинает протекать ток по следующей цепи; начало обмотки 11 управляющего трансформатора 2 — обмотка 8 дросселя насыщения 7 — первый диод 10— переход коллектор-эмиттер силового транзистора 1 - конец обмотки 3, В результате протекания этого тока в обмотке 8 дросселя насыщения 7 возникает ЭДС, которая вместе с падением напряжения на открытом

55 переходе диода 10 компенсирует ЭДС, наводимую в обмотке 11. В это время ток е цепи поддерживается за счет открытого состояния диода 10. Компенсация ЭДС обмотки

11 управляющего трансформатора 2 предотвращает смещение перехода база — коллектор силового транзистора 1 в обратном направлении, т,е. предотвращает активный режим работы силового транзистора 1. В результате этого силовой транзистор 1 входит а режим насыщения (переход база — коллектор смещается в прямом направлении) и поддерживается в этом режиме до тех пор, пока дроссель 7 не войдет в режим насыщения (интервал времени tz-ta фиг.2). Вхождение силового транзистора 1 в режим насыщения при включении улучшает отрицательный фронт импульса коллекторного напряжения (уменьшает интервал времени

t1-tz, фиг.2), уменьшает потери мощности на включение (повышает КПД), уменьшает мгновенную мощность, рассеиваемую на силовом транзисторе 1 при включении, т.е, повышает надежность и КПД, Нахождение силового транзистора 1 в период времени

t2-t3 в режиме насыщения уменьшает статические потери мощности на силовом транзисторе 1 по сравнению с прототипом за счет уменьшения падения напряжения на переходе база-коллектор силового транзистора 1. Количество витков первой обмотки

8 и индуктивность первой обмотки Le дросселя насыщения 7 выбираются такими, чтобы насыщение дросселя происходило за время меньше половины периода, т,е, количество витков обмотки первой обмотки 8 и индуктивность La дросселя насыщения 7 будут меньшими количества витков и индуктивности второй вторичной обмотки 5 управляющего трансформатора 2. Кроме этого, количество витков первой обмотки 8 индуктивность Ls дросселя насыщения 7 выбираются такими, чтобы ЭДС обмотки 8 дросселя насыщения 7 была меньше ЭДС второй. вторичной обмотки 11 управляющего трансформатора 2 на падение напряжения на диоде 10 с целью обеспечения протекания тока через дроссель насыщения

7, т.е. ток через дроссель насыщения 7 и насыщенный режим работы силового транзистора 1 в интервале времени t2-тз (фиг.2г) обеспечиваются за счет открытого состояния диода 10. После насыщения дросселя насыщения 7 (момент времени тз, фиг.2) напряжение на нем становится равным нулю.

Тогда под воздействием ЭДС на второй вторичной обмотке 11 переход база-коллектор силового транзистора 1 смещается в обрат- ном направлении и он входит в ненасыщенный (активный) режим работы (интервал

1827707 времени t3-t4, фиг,2), который позволяет значительно уменьшить время рассасывания избыточного заряда (интервал времени

i4-tö, фиг.2), длительность положительного фронта (интервал времени t5-ts, фиг,2), и как следствие, позволяет уменьшить потери мощности на выключение в интервале времени t4--t, фиг,2) и мгновенную мощность в этом интервале времени. Т.е. в этом интервале времени предлагаемое устройство сохраняет все преимущества прототипа, При изменении тока коллектора силового транзистора 1 устройство ненасыщенного ключа обеспечивает перераспределение тока базы силового транзистора 1 и тока, протекающего через обмотку 8 дросселя насыщения 7 и диод 10, Например, с уменьшением тока коллектора силового транзистора

1 ток в его базу уменьшается, а ток через обмотку 8 дросселя насыщения 7 и диод 10 увеличивается, в результате чего дроссель быстрее входит в режим насыщения (уменьшается интервал времени tz-ñä, фиг.2).

Поскольку при широтно-импульсном регулировании уменьшение тока коллектора соответствует уменьшению времени открытого состояния силового транзистора 1 (интервал времени t2-с4, фиг.2), то при применении устройства в источниках вторичного электропитания, построенных на основе однотактных широтно-импульсных преобразователей, в случае изменения тока нагрузки в широких пределах функционирование предлагаемого устройства не нарушается.

ЭДС наведенная в обмотке 5 управляющего трансформатора 2, поддерживает диод б в закрытом состоянии в течение всего полупериода положительного управля ющего импульса (интервал времени t>-tq, фиг.2) и накапливает энергию для форсированного закрывания силового транзистора 1 в течение полупериода отрицательного управляющего импульса (интервал времени t4-tz, фиг.2,а), Т.к. для достижения большей эффективности рассасывания избыточного заряда в переходе база-коллектор силового транзистора 1 во время полупериода отрицательного управляющего импульса (увеличения запирающего тока по переходу база-коллектор) обмотка 5 управляющего трансформатора 2 выполняется с большим количеством витков по сравнению с обмоткой 11 управляющего трансформатора 2 (напряжение на обмотке 11 имеет величину порядка 2 В для достижения оптимального ненасы ценного режима с точки зрения величины статических потерь и времени рассасывания избыточного заряда, т.к, дальнейшее увеличение напряжения на обмотке 5 лишь незначительно уменьшает

55 время рассасывания избыточного заряда и длительность положительного фронта коллекторного напряжения при возрастании статических потерь, а напряжение на обмотке 11 может приближаться к напряжению питания силового транзистора 1), а обмотка

8 дросселя насыщения 7 с целью обеспечения насыщения дросселя и открытого состояния диода 10 имеет меньше количество витков и индуктивность по сравнению с обмоткой 11 управляющего трансформатора 2 (напряжение на обмотке 8 дросселя насыщения 7 меньше напряжения на обмотке 11 управляющего трансформатора 2 на величину падения напряжения на диоде 10) при

roM же материале и типоразмере сердечников, то размагничивающая обмотка 9 дросселя насыщения 7 будет иметь небольшое количество витков и незначительную индуктивность по сравнению с обмоткой 5 управляющего трансформатора 2. При больших значениях напряжения на обмотке 5 управля ю щего трансформатора 2 ток рассасывания избыточного заряда из перехода база-коллектор силового транзистора 1 во время полупериода отрицательного управляющего импульса может превышать ток базы силового транзистора 1 и ток через обмотку 8 дросселя насыщения 7 в несколько раз, поэтому количество витков и индуктивность размагничивающей обмотки 9 дросселя насыщения 7 не будут превышать количества витков и индуктивности его обмотки 8. Напряжение на размагничивающей обмотке 9 дросселя насыщения 7 будет незначительным по сравнению с напряжением на обмотке 5 и в результате этого размагничивающая обмотка 9 дросселя насыщения 7 не будет влиять на функционирование обмотки 5 во время как положительного, так и отрицательного управляющего импульсов.

При появлении на обмотке 3 прямоугольного импульса отрицательной полярности (интервал времени t4-ty, фиг,2,а) на второй 11 и третьей 5 обмотках управляющего тращ:форматора 2 и обмотках 8 и 9 дросселя насыщения 7 наводятся ЭДС, полярность которых на фиг.1 указана в скобках, Под воздействием ЭДС, наведенной в обмотке 3 управляющего трансформатора 2, силовой транзистор 1 закрывается nо переходу база-эмиттер, Под воздействием ЭДС, наведенной в обмотке 11 управляющего трансформатора

2, силовой транзистор 1 закрывается по переходу база-эмиттер.

Под воздействием ЭДС, наведенной в обмотке 11 управляющего трансформатора

2 происходит форсированное закрывание

1827707

50

55 диода 10 вследствие того, что напряжение на обмотке 11 больше напряжения на обмотке 8 дросселя насыщения 7, что способствует форсированному закрыванию перехода база-коллектор силового транзистора 1, т.к, процесс рассасывания неосновных носителей диода 6 не будет влиять на процесс рассасывания неосновных носителей в переходе база-коллектор силового транзистора 1.

Под воздействием ЭДС, наведенной в обмотке 5 диод 6 открывается. В результате к переходу база-коллектор силового транзистора 1 прилагается обратное напряжение, способствующее быстрому рассасыванию неосновных носителей в этом переходе (уменьшение времени рассасывания избыточного заряда), уменьшению потерь мощности на выключение в интервале времени с4-t6 (фиг.2), т,е. повышение КПД, уменьшению длительности положительного фронта (интервал времени tg-tg, фиг.2г), уменьшению мгновенной мощности на этапе выключения (повышению надежности). Таким образом введение размагничивающей обмотки 9 дросселя насыщения 7 не влияет на работу форсирующей обмотки 5 управляющего трансформатора 2. Под воздействием

ЭДС, наведенной в обмотке 5 управляющего трансформатора 2.во время действия управляющего импульса отрицательной полярности, происходит размагничивание дросселя насыщения 7 за счет протекания через его обмотку 9 тока рассасывания неосновных носителей в переходе база-коллектор силового транзистора 1 по следующей цепи; конец обмотки 5 — обмотка

9 дросселя насыщения 7 — диод 6 — переход коллектор-база силового транзистора 1— начало обмотки 5, Т.к, величина тока рассасывания неосновных носителей в переходе база-коллектор будет определяться величи5

40 ной напряжения обмотки 5 и сопротивлением цепи, по которой протекает этот ток, то при больших значениях напряжения на обмотке 5 ток рассасывания может превышать ток базы и ток через обмотку 8 в несколько раз, что гарантирует полное размагничивание дросселя насыщения 7 даже при меньшем количестве витков его размагничивающей обмотки 9 по сравнению с его основной обмоткой 8. Наличие форсирующей обмотки

5 управляющего трансформатора 2 позволяет в некоторой степени уменьшить время рассасывания избыточного заряда и формирования положительного фронта коллекторного напряжения по сравнению с прототипом.

При поступлении импульса управления положительной полярности процессы, происходящие в устройстве, повторяются, Формула изобретения

Однотактный транзисторный преобразователь, содержащий управляющий трансформатор с двумя вторичными обмотками, первая из которых началом соединена с базой силового транзистора и концом — через резистор с эмиттером силового транзистора, а вторая концом соединена с базой силового транзистора, и первый диод, подключенный первым выводом к коллектору силового транзистора, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения КПД, введен дроссель насыщения с двумя обмотками, первая из которых началом соединена с вторым выводом первого диода и концом объединена с началом второй вторичной обмотки управляющего транзистора, а вторая концом соединена через введенный второй диод с коллектором силового транзистора и началом соединена с концом введенной в управляющий трансформатор третьей вторичной обмотки, начало которой подключено к базе силового транзистора, 1827707 КЗУ1

Составитель В, Мельничук

Редактор В. Трубченко Техред М,Моргентал Корректор И. Шулла

Заказ 2361 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