Двухтактный ключевой усилительный каскад

 

Относится к преобразовательной технике и может использоваться в преобразователях напряжения. Двухтактный ключевой усилительный каскад содержит первый и второй усилительные полупроводниковые управляемые ключи 1 и 2, с присоединенными параллельно их входам первым и вторым шунтирующими четырехполюсниками 3 и 4, разделительный конденсатор 5, нагрузку 6, источники напряжения 7 и 8, причем усилительные полупроводниковые управляемые ключи 1, 2 включаются поочередно, за время каждого полупериода последовательно с нагрузкой, но не включены последовательно друг с другом относительно источников напряжения. Для обеспечения условий протекания тока используются шунтирующие четырехполюсники. Такое включение снижает сквозные токи, ускоряет процесс переключения и снижает динамические потери. 2 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в преобразовательной технике.

Двухтактные каскады широко используются в различных областях радиотехники и в преобразовательной технике преимущественно в тех случаях, когда необходимо получение сравнительно большой выходной мощности и высокого КПД. Для этого нужно, чтобы потери мощности при работе каскада, в том числе и потери, вызванные коммутационными процессами при переключении полупроводниковых приборов, были минимальны.

Одной из причин, приводящей к таким потерям, является наличие сквозного тока.

Существует ряд технических решений, направленных на уменьшение сквозного тока и потерь с ним связанных. В частности, в известном двухтактном усилительном каскаде (SU, 1205252, H 03 F 3/26), содержащем выходные транзисторы одинаковой проводимости, для достижения требуемого технического результата вводится специальный конденсатор, включенный между базовыми резисторами выходных транзисторов. Результат достигается благодаря обусловленной наличием конденсатора задержке включения закрытого транзистора.

В устройстве по (SU, 1462466 A 1), представляющем собой двухтактный ключевой усилитель мощности, для достижения необходимого результата используется дополнительно введенный дроссель, также выполняющий функцию задержки.

Общим недостатком используемых методов является фиксированное время задержки, что приводит к достижению результата при определенном токе для ключа с определенным быстродействием. Поэтому при рассчете элементов необходимо учитывать разброс частотных и усилительных свойств используемых ключевых транзисторов, что создает определенные проблемы особенно в условиях серийного производства.

Иной способ уменьшения сквозного тока использован в (авт.св. N 512556, H 03 F 3/26). В этом двухтактном усилителе, который является прототипом, введены два управляемых коммутируемых четырехполюсника. Технический результат достигается благодаря тому, что каждый четырехполюсник шунтирует вход одного транзистора пока в базовой цепи другого протекает ток. Этот способ устранения сквозного тока не нуждается в специально рассчитываемом частотнозависимых элементах, что устраняет необходимость учета частотных свойств применяемых ключей. Однако его недостатком в том виде, в каком он использован в прототипе, является то, что в качестве управляющего задержкой сигнала служит не сам сквозной ток, а сопутствующий ему базовый, а эти токи, вообще говоря, не связаны строгим взаимно однозначным соответствием. Кроме того, при такой схеме трудно получить надежное закрытие ключа, так как простое шунтирование зачастую оказывается недостаточным в мощных высоковольтных каскадах и требуется подача дополнительного запирающего смещения. К недостатку можно отнести и сравнительную сложность схемы прототипа, что снижает ее надежность и повышает стоимость.

В предлагаемом двухтактном ключевом усилительном каскаде недостатки прототипа устранены. Превосходя прототип по характеристикам, предлагаемый каскад схемотехнически проще и допускает введение дополнительного источника напряжения, что расширяет его возможности.

На фиг. 1 и 2 представлены функциональная и принципиальная схемы устройства.

Двухтактный ключевой усилительный каскад содержит два управляемых полупроводниковых ключа, 1 и 2, каждый из которых имеет управляющий вход и первый и второй коммутируемые выводы, причем первый коммутируемый вывод является общим для цепи управления и коммутируемой цепи, шунтирующие четырехполюсники 3 и 4, выходы которых шунтируют входы каждого управляемого полупроводникового ключа, нагрузку 6, которая через разделительный конденсатор 5 подключена между общими коммутируемым выводами ключей, а также один или два источника напряжения 7 и 8, которые подключены между не являющимся общим коммутируемым выводом одного ключа и управляющим входом другого. Любой из источников может отсутствовать и заменяться непосредственным соединением коммутируемого вывода с управляющим входом, что формально соответствует источнику с нулевым значением выходного напряжения.

В качестве полупроводниковых управляемых ключей могут быть использованы транзисторы, тиристоры, а также более сложные ключи, составленные из транзисторов и тиристоров с использованием дополнительных элементов, улучшающих эксплуатационные характеристики.

Конденсатор исключает возможность протекания постоянного тока через нагрузку и в некоторых случаях может отдельно не присутствовать, если нагрузка сама по себе имеет емкостной характер, например, если нагрузкой является пьезоэлемент.

Основное назначение шунтирующих четырехполюсников такое же, как и в прототипе шунтировать вход одного ключа на время, пока через другой ключ протекает ток. Отличие от прототипа в том, что благодаря изменению взаимосвязи между элементами схемы отпала необходимость в дополнительных резисторах в цепи управляющего электрода, а непосредственно током открытого ключа создается запирающее смещение для второго ключа, что приводит к существенному снижению динамических потерь.

Каскад работает следующим образом.

Допустим во время первого такта на вход ключа 1 через четырехполюсник 3 подан открывающий импульс, а на вход ключа 2 через четырехполюсник 4 противофазный ему закрывающий. Ток идет от источника напряжения 7 через открытый ключ 1, последовательно включенные конденсатор 5 и нагрузку 6, далее через шунтирующий четырехполюсник 4 и цепь тока замыкается на источнике напряжения 7. При этом ток, проходящий через четырехполюсник 4 создает падение напряжения, которое также является закрывающим для ключа 2.

При переходе ко второму такту полярность управляющих импульсов меняется и теперь на вход ключа 1 через шунтирующий четырехполюсник 3 начинает подаваться запирающий импульс, а на вход управляемого полупроводникового ключа 2 через шунтирующий четырехполюсник 4 отпирающий.

Происходит процесс переключения каскада. При этом ключ 2 будет оставаться в закрытом состоянии до тех пор, пока напряжение на его входе будет закрывающим. А это напряжение, создаваемое током ключа 1, проходящим через четырехполюсник 4, будет присутствовать до тех пор, пока не закроется ключ 1.

Таким образом создается необходимая задержка включения ключа 2. После закрытия управляемого полупроводникового ключа 1 открывается управляемый полупроводниковый ключ 2 и в установившемся режиме второго такта, ток из источника напряжения 8 через открытый управляемый полупроводниковый ключ 2 поступает в нагрузку, далее через конденсатор 5 и шунтирующий четырехполюсник 3 ток возвращается к источнику напряжения 8. Отсутствие одного из источников напряжения оставляет все наши рассуждения в силе, все происходит в том же порядке, только ток в цепи без источника создается зарядившимся за время действия предыдущих тактов конденсатором 5.

При очередной смене полярности управляющих импульсов все описанные процессы повторяются.

Формула изобретения

Двухтактный ключевой усилительный каскад, содержащий два полупроводниковых управляемых ключа, каждый из которых имеет управляющий вход и первый и второй коммутируемые выводы, причем первый коммутируемый вывод является общим для цепи управления и коммутируемой цепи, два шунтирующих четырехполюсника, имеющих вход и выход, при этом выход каждого шунтирующего четырехполюсника подключен параллельно участку управляющий вход первый коммутируемый вывод соответствующего полупроводникового управляемого ключа, а также источник напряжения, отличающийся тем, что нагрузка включена через введенный разделительный конденсатор между первыми коммутируемыми выводами полупроводниковых управляемых ключей, второй коммутируемый вывод одного из полупроводниковых управляемых ключей через источник напряжения подключен к управляющему входу другого полупроводникового управляемого ключа, второй коммутрируемый вывод которого непосредственно или через введенный дополнительный источник напряжения подключен к управляющему входу первого из двух полупроводниковых управляемых ключей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2