Разгрузочная схема

Схемное устройство для ограничения перенапряжений из-за прямого времени задержки первого диода (D1, D1′), который из-за переключения переключающего элемента (S1, S1′) попеременно включается в обратном направлении и прямом направлении. В соответствии с изобретением первый диод (D1, D1′) соединен последовательно с первым конденсатором (С1, С1′), и предусмотрена схема предварительного заряда для первого конденсатора (С1, С1′), которая заряжает первый конденсатор (С1, С1′), в то время как первый диод (D1, D1′) включен в обратном направлении. Предпочтительным образом схема предварительного заряда заряжает первый конденсатор (С1, С1′) сравнительно сильнее, чем перенапряжение первого диода (D1, D1′). Технический результат - ограничение перенапряжения на диодах. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к схемному устройству для ограничения перенапряжений из-за прямого времени задержки диода, который из-за переключения переключающего элемента попеременно включается в обратном направлении и прямом направлении, согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.

Перенапряжения ввиду прямого времени задержки в диодах создают проблемы, в частности, в быстродействующих процессах переключения. При медленных процессах переключения диоды, как правило, за счет приложения прямого напряжения, которое в Si-диодах составляет примерно 0,7 В, становятся проводящими. При коротких временах переключения, напротив, можно заметить, что диод становится проводящим только спустя конечное время. В частности, при смене обратного (непроводящего) направления на прямое направление требуется определенный интервал времени, чтобы носители заряда распределить по всему поперечнику зоны пространственного заряда, и ее в известной мере «лавинообразно» заполнить носителями заряда. Это конечное время, в частности, является критичным тогда, когда через диод должны протекать большие токи, например, когда в случае диода речь идет о разгрузочном диоде для индуктивностей. Диод в этих случаях становится проводящим не уже при прямом напряжении, как это имеет место при медленных процессах переключения, а только при более высоких напряжениях. Эти повышенные прямые напряжения при быстрых процессах переключения называются перенапряжениями. Перенапряжение является при этом функцией скорости нарастания тока (чаще всего указывается в А/мс) и может быть получено из соответствующих технических данных для соответствующего диода.

Эти перенапряжения, ввиду прямого времени задержки в диодах, традиционно учитываются посредством проектирования с запасом защищаемых компонентов. Другая возможность состоит в замедлении процесса переключения, что, однако, влечет за собой другой недостаток, в частности дополнительные потери на переключение в переключающих компонентах.

Поэтому целью изобретения является преодолеть эти недостатки и создать схемное устройство, которое ограничивает перенапряжения из-за прямого времени задержки в диодах. Эта цель достигается признаками пункта 1 формулы изобретения.

Пункт 1 формулы изобретения относится к схемному устройству для ограничения перенапряжений из-за прямого времени задержки первого диода, который посредством переключения переключающего элемента попеременно включается в обратном и прямом направлении. В соответствии с изобретением при этом предусмотрено, что первый диод соединен последовательно с первым конденсатором, и предусмотрена схема предварительного заряда для первого конденсатора, которая заряжает первый конденсатор, пока первый диод включен в обратном направлении. Предварительный заряд на первом конденсаторе и связанное с этим напряжение обуславливает то, что первый диод на это значение напряжения раньше становится проводящим. Перенапряжение, тем самым, сокращается. Когда, согласно пункту 2 формулы изобретения, это значение напряжения превышает перенапряжение первого диода, то можно полностью избежать перенапряжения.

Согласно пункту 3 формулы изобретения, первый диод может быть соединен со стороны анода последовательно с первым конденсатором. Для этого случая, согласно пункту 4 формулы изобретения, предложено, что схема предварительного заряда содержит параллельно первому диоду включенный второй конденсатор, а также третий диод, причем третий диод со стороны анода соединен с вторым конденсатором, а со стороны катода - с обращенной к первому диоду стороной первого конденсатора.

В качестве альтернативы, согласно пункту 5 формулы изобретения, первый диод также со стороны катода может быть соединен последовательно с первым конденсатором. В этом случае можно, согласно пункту 6 формулы изобретения, схему предварительного заряда осуществить таким образом, что схема предварительного заряда имеет второй конденсатор, включенный параллельно первому диоду, а также третий диод, причем третий диод со стороны катода соединен со вторым конденсатором, а со стороны анода с обращенной к первому диоду стороной первого конденсатора.

Согласно пункту 7 формулы изобретения, предусмотрено, что первый конденсатор включен параллельно второму диоду, который соединен в одинаковом направлении с первым диодом. Второй диод принимает при этом на себя протекающий через первый конденсатор ток, как только он становится проводящим по отношению к состоянию заряда первого конденсатора. При этом выражение «включать в том же направлении» означает, что оба диода при том же направлении тока оба включены либо в обратном направлении, либо в прямом направлении.

Согласно пункту 8 формулы изобретения, предусмотрено предпочтительное применение соответствующего изобретению схемного устройства, а именно в трансформаторных схемах, как они используются в инверторах или переключаемых блоках питания. При этом согласно пункту 8 предложно, что переключающий элемент включен на первичной стороне трансформаторной схемы последовательно с первичной обмоткой трансформатора, и первичная обмотка и переключающий элемент соединены с источником постоянного напряжения, причем первый диод включен в качестве разгрузочного диода для первичной обмотки.

Пункт 9 формулы изобретения относится к переключаемому блоку питания со схемным устройством согласно любому из пунктов 1-8.

Изобретение далее описывается более подробно на примере выполнения со ссылками на приложенные чертежи, на которых показано следующее:

фиг.1 - первый пример схемного устройства, соответствующего изобретению, и

фиг.2 - другая форма выполнения схемного устройства, соответствующего изобретению.

На фиг.1 показано схемное устройство с переключающим элементом S1, который, как правило, представляет собой полупроводниковый переключатель, в частности силовой переключатель. Переключающий элемент S1 в показанном примере выполнения включен на первичной стороне трансформаторной схемы, последовательно с первичной обмоткой W1 трансформатора Т, и первичная обмотка W1 и переключающий элемент S1 соединены с источником U_s постоянного напряжения. Посредством периодического размыкания и замыкания переключающего элемента S1 постоянное напряжение источника U_s постоянного напряжения преобразуется в импульсы напряжения, которые через трансформатор Т переводятся на вторичную сторону трансформаторной схемы.

На фиг.1, кроме того, показано, что первый диод D1 включен в качестве разгрузочного диода для первичной обмотки W1. Первый диод D1 по отношению к источнику U_s постоянного напряжения включен в обратном направлении. Если переключающий элемент S1 разомкнут, то через промежуточный контур первого диода D1 протекает ток, так что первый диод D1 в зависимости от состояния переключения переключающего элемента S1 попеременно включается в обратном и прямом направлении.

Для ограничения перенапряжений посредством прямого времени задержки первого диода D1 он, в соответствии с изобретением, со стороны анода соединен последовательно с первым конденсатором С1. Кроме того, предусмотрена схема предварительного заряда для первого конденсатора С1, которая положительно заряжает обращенную к первому диоду D1 сторону первого конденсатора С1, когда первый диод D1 включен в обратном направлении. Первый конденсатор С1, кроме того, включен параллельно второму диоду D2, который подсоединен в одинаковом направлении с первым диодом D1.

В примере выполнения по фиг.1 схема предварительного заряда содержит включенный параллельно первому диоду D1 второй конденсатор С2, а также третий диод D3, причем третий диод D3 со стороны анода соединен со вторым конденсатором С2, а со стороны катода - с обращенной к первому диоду D1 стороной первого конденсатора С1.

Кроме того, параллельное соединение первого диода D1 и второго конденсатора С2 включено последовательно с параллельным соединением третьего конденсатора С3 и стабилитрона. Эти схемные элементы являются лишь факультативными и иллюстрируют только возможность создания для защиты переключающего элемента S1 встречного постоянного напряжения, которое защищает переключающий элемент S1, но не создает помех нормальной работе трансформатора Т.

На практике, в общем случае, в противоположность форме выполнения согласно фиг.1, пытаются рассеянную энергию в первичном контуре трансформатора Т после размыкания переключающего элемента S1 использовать, в частности, с помощью схемы, при которой рассеянная энергия возвращается в промежуточный контур напряжения. Пример этого представлен на фиг.2. Фиг.2 показывает схемное устройство, при котором дополнительный переключающий элемент S1' включен последовательно с первичной обмоткой W1. Оба переключающих элемента S1, S1' соотнесены, соответственно, с промежуточным контуром с разгрузочными диодами D1, D1'. В случае обоих разгрузочных диодов D1, D1' соответствующее изобретению схемное устройство находит применение в форме двух различных примеров выполнения, а именно с конфигурацией на стороне анода из первого конденсатора С1 по отношению к первому диоду D1 и с конфигурацией на стороне катода из первого конденсатора С1' по отношению к первому диоду D1'. В последнем случае схема предварительного заряда соответственно включает в себя включенный параллельно первому диоду D1' второй конденсатора С2', а также третий диод D3', причем третий диод D3' со стороны катода соединен со вторым конденсатором С2', а со стороны анода - с обращенной к первому диоду D1' стороной первого конденсатора С1'.

Схемотехнические состояния соответствующего изобретению схемного устройства могут быть подразделены на четыре фазы и поясняются с помощью фиг.1.

В первой фазе переключающий элемент S1 замкнут, и первый диод D1 включен в обратном направлении. Во время фазы запирания первый конденсатор С1 через схему предварительного заряда, состоящую из второго конденсатора С2 и третьего диода D3, предварительно заряжается напряжением, которое предпочтительным образом составляет долю напряжения запирания на первом диоде D1. При этом обращенная к первому диоду D1 сторона первого конденсатора С1 заряжается положительно.

Во второй фазе переключающий элемент S1 размыкается, и напряжение на переключающем элементе S1 так долго остается более положительным, пока сумма напряжения на переключающем элементе S1 и напряжения на первом конденсаторе С1 является более положительной, чем сумма напряжений U_E и U_Z (см. фиг.1).

В третьей фазе первый диод D1 становится теперь проводящим, и наступает вышеописанное перенапряжение. При соответствующем проектировании это перенапряжение ниже, чем напряжение на первом конденсаторе С1, так что напряжение на переключающем элементе S1 в этой фазе постоянно остается ниже суммы напряжений U_E и U_Z. После задержки включения первого диода D1 потенциал на аноде первого диода D1 только на порог диода превышает потенциал на его катоде. Третья фаза завершается, после того как напряжение на первом конденсаторе С1 становится отрицательным и второй диод D2 становится проводящим. При этом следует заметить, что перенапряжения на втором диоде D2 на практике являются пренебрежимо малыми, потому что нарастание напряжения на втором диоде D2 меньше, и он может рассчитываться на меньшие обратные напряжения. Поэтому поведение второго диода D2 относительно его прямого времени задержки является некритичным.

В четвертой фазе второй диод D2 принимает на себя ток, который до этого протекал через первый конденсатор С1. Напряжение на переключающем элементе S1 составляет теперь сумму напряжений U_E и U_Z, а также двух порогов диодов.

Таким образом, с помощью соответствующего изобретению схемного устройства перенапряжения ввиду прямого времени задержки первого диода D1 ограничиваются, что имеет преимущество особенно при очень быстродействующих процессах переключения.

1. Схемное устройство для ограничения перенапряжений из-за прямого времени задержки первого диода (D1, D1′), который из-за переключения переключающего элемента (S1, S1′) попеременно включается в обратном направлении и прямом направлении, отличающееся тем, что
первый диод (D1, D1′) соединен последовательно с первым конденсатором (С1, С1′), и предусмотрена схема предварительного заряда для первого конденсатора (С1, С1′), которая посредством второго конденсатора (С2, С2′), включенного параллельно первому диоду (D1, D1′), через третий диод (D3, D3′) заряжает первый конденсатор (С1, С1′), в то время как первый диод (D1, D1′) включен в обратном направлении.

2. Схемное устройство по п.1, отличающееся тем, что схема предварительного заряда для первого конденсатора (С1, С1′), которая заряжает первый конденсатор (С1, С1′) относительно сильнее, чем перенапряжение первого диода (D1, D1′), в то время как первый диод (D1, D1′) включен в обратном направлении.

3. Схемное устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что первый диод (D1) связан со стороны анода с первым конденсатором (С1) последовательно.

4. Схемное устройство по п.3, отличающееся тем, что схема предварительного заряда содержит включенный параллельно первому диоду (D1) второй конденсатор (С2), а также третий диод (D3), причем третий диод (D3) со стороны анода соединен со вторым конденсатором (С2), а со стороны катода - с обращенной к первому диоду (D1) стороной первого конденсатора (С1).

5. Схемное устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что первый диод (D1′) со стороны катода соединен последовательно с первым конденсатором (С1′).

6. Схемное устройство по п.5, отличающееся тем, что схема предварительного заряда имеет второй конденсатор (С2′), включенный параллельно первому диоду (D1′), а также третий диод (D3′), причем третий диод (D3′) со стороны катода соединен со вторым конденсатором (С2′), а со стороны анода - с обращенной к первому диоду (D1′) стороной первого конденсатора (С1′).

7. Схемное устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что первый конденсатор (С1, С1′) включен параллельно второму диоду (D2, D2′), который соединен в одинаковом направлении с первым диодом (D1, D1′).

8. Схемное устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что переключающий элемент (S1, S1′) включен на первичной стороне трансформаторной схемы последовательно с первичной обмоткой (W1) трансформатора (Т), и первичная обмотка (W1) и переключающий элемент (S1, S1′) соединены с источником (U_S) постоянного напряжения, причем первый диод (D1, D1′) включен в качестве разгрузочного диода для первичной обмотки (W1).

9. Переключаемый блок питания со схемным устройством согласно любому из пп.1-8.