КОММУТАТОР ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК H02M3/155 

Изобретение относится к преобразовательной технике, в частности к преобразователям постоянного напряжения понижающего, повышающего и реверсивного типов.

Известен коммутатор для преобразователей постоянного напряжения понижающего, повышающего и реверсивного типов, содержащий транзистор и обратный диод [1]
Недостатками такого коммутатора являются низкие КПД и надежность, что связано с тем, что режим включения транзистора в таком коммутаторе не является оптимальным. Во-первых, из-за отсутствия в схеме элементов, ограничивающих скорость нарастания тока через транзистор, при включении транзистора ток коллектора оказывается слишком большим в то время, когда напряжение на коллекторном переходе не успело снизиться до достаточно малого значения. Мгновенная мощность на коллекторном переходе транзистора оказывается слишком большой, что увеличивает нагрев транзистора и повышает вероятность его отказа. Во-вторых, в момент времени, следующий за моментом включения, транзистор оказывается замкнутым на контур короткого замыкания, который в схеме преобразователя включает в себя источник питания, транзистор и еще незапертый обратный диод, в схеме преобразователя повышающего типа нагрузку (нагрузка, в частности, может представлять собой источник ЭДС), транзистор и еще незапертый обратный диод, в схеме преобразователя реверсивного типа источник питания, нагрузку (нагрузка, в частности, может представлять собой источник ЭДС или цепь короткого замыкания), транзистор и еще незапертый обратный диод. Этот фактор также снижает КПД и повышает вероятность отказа транзистора.

Известен также коммутатор, содержащий кроме транзистора и обратного диода нелинейный задерживающий дроссель, а также цепь рассеивания или рекуперации его реактивной мощности [2]
В таком коммутаторе скорость нарастания тока через транзистор при его включении ограничивается задерживающим дросселем, благодаря чему уменьшается мгновения мощность на коллекторном переходе в момент включения. Это, однако, не приводит к замкнутому повышению надежности коммутатора, т.к. от момента насыщения задерживающего дросселя до моменты запирания обратного диода через транзистор протекает ток короткого замыкания по цепи, включающей в себя в преобразователе понижающего типа источник питания, открытый транзистор, насыщенный задерживающий дроссель и еще незапертый обратный диод, в преобразователе повышающего типа нагрузку (возможно, представляющую собой источник ЭДС), открытый транзистор, насыщенный задерживающий дроссель и еще незапертый обратный диод, в преобразователе реверсивного типа источник питания, нагрузку (возможно, представляющую собой источник ЭДС или цепь короткого замыкания), открытый транзистор, насыщенный задерживающий дроссель и еще незапертый обратный диод.

Основной задачей изобретения является повышение надежности коммутатора путем исключения тока короткого замыкания через транзистор. Решение основной задачи изобретения достигается введением в схему коммутатора нелинейного коммутирующего трансформатора, коммутирующего диода и цепей рассеяния или рекуперации энергии, накопленной остаточными индуктивностями задерживающего дросселя и коммутирующего трансформатора.

На фиг.1а,б,в представлены схемы коммутатора, включенные в состав преобразователей постоянного напряжения соответственно понижающего, повышающего и реверсивного типов; на фиг.2 а,б,в,г,д,е,ж,и диаграммы, поясняющие принцип работы коммутатора.

Коммутатор 1 (см. фиг.1а, б, в) содержит транзистор 2, обратный диод 3, нелинейный задерживающий дроссель 4, нелинейный коммутирующий трансформатор 5, имеющий первичную 6 и вторичную 7 обмотки, коммутирующий диод 8, а также цепь рассеивания или рекуперации реактивной мощности остаточных индуктивностей задерживающего дросселя и коммутирующего трансформатора (на схемах не показана). Преобразователи постоянного напряжения понижающего (фиг.1а), повышающего (фиг. 1б) и реверсивного (фиг.1в) типов содержат также входные 9, 10 и выходные 11, 12 клеммы, линейный дроссель 13 и устройство управления 14.

Поясним принцип работы коммутатора в составе преобразователя постоянного напряжения понижающего типа (фиг.1а).

Импульсы управления (см.фиг.2а) транзистором 2 генерируются устройством управления 14. В интервалы времени t<t₁ и t>t₄ (см. фиг.2) транзистор 2 закрыт, ток нагрузки замыкается через линейный дроссель 13 и обратный диод 3.

Начиная с момента времени t₁, когда в базу транзистора 2 подается импульс управления и направления и напряжение между базой и эмиттером U_бэ (см. фиг. 2а) становится положительным, напряжение между коллектором и эмиттером U_кэ (см. фиг.2б) быстро снижается до значения, близкого к нулю. В то же время ток нагрузки i_н (см. фиг.2и) продолжает протекать через обратный диод 3 (ток i_д на фиг.2е), и напряжение на нем близко к нулю. Ток намагничивая задерживающего дросселя 4, являющийся одновременно током коллектора i_к транзистора 2, замыкается через первичную обмотку 6 коммутирующего трансформатора 5 и открытый обратный диод 3 встречно току нагрузки и трансформируется во вторичную обмотку 7. Ток вторичной обмотки 7 протекает через коммутирующий диод 8 и открытый обратный диод 3 встречно току нагрузки. Напряжение на вторичной 7, а, следовательно, и на первичной 6 обмотках коммутирующего трансформатора 5 при этом близко к нулю (напряжение U_к на фиг. 2г). Следовательно, после отпирания транзистора 2 напряжение источника питания U_вх целиком прикладывается к задерживающему дросселю 4 (напряжение U₃ на фиг. 2в). Ток коллектора (он же ток намагничивания задерживающего дросселя 4) при этом нарастает линейно (см фиг.2ж). Через обратный диод 3 протекает ток
i_д i_н i_к i_кд
где i_кд ток вторичной обмотки 7 коммутирующего трансформатора 5. Коэффициент трансформации коммутирующего трансформатора целесообразно выбрать меньшим 1. Диаграммы фиг.2 построены для случая, когда коэффициент трансформации равен 1/2. В момент времени t₂, когда сумма токов i_к и i_кд сравнивается с i_н, ток i_д через обратный диод 3 прекращается. В тот же момент напряжение U_к на коммутирующем трансформаторе 5 становится отличным от нуля (см. фиг. 2г), а напряжение U₃ на задерживающем дросселе 4 становится равным разности напряжений источника питания U_вх и U_к (см. фиг. 2в). В течение промежутка времени t₂<t<t₃ ток нагрузки i_н, протекающий через линейный дроссель 13, складывается из токов коллектора транзистора i_к и коммутирующего диода i_кд, сходящихся в одном узле. Линейный дроссель 13 имеет очень большую индуктивность и является параметрическим источником тока несоизмеримо большей мощности, чем нелинейные задерживающий дроссель 4 и коммутирующий трансформатор 5, поэтому в некоторый момент времени t₃ задерживающий дроссель 4 и коммутирующий трансформатор 5 насыщаются током линейного дросселя 13, их индуктивности уменьшаются практически до нуля, трансформация тока во вторичную обмотку 7 коммутирующего трансформатора 5 прекращается, и весь ток нагрузки i_н замыкается через его первичную обмотку 6, задерживающий дроссель 4 и транзистор 2.

Таким образом, после отпирания транзистора благодаря наличию нелинейного коммутирующего трансформатора и коммутирующего диода до тех пор, пока обратный диод не заперт, через транзистор протекает лишь медленно нарастающий ток намагничивания нелинейного задерживающего дросселя, нелинейный задерживающий дроссель насыщается и транзистор принимает на себя ток нагрузки только после запирания обратного диода, чем исключается возможность протекания тока короткого замыкания через транзистор и незапертый обратный диод, следовательно достигается цель изобретения.

В момент времени t₄ устройство управления 14 запирает транзистор 2, после чего энергия, накопленная остаточными индуктивностями задерживающего дросселя 4 и коммутирующего трансформатора 5, рассеивается или рекуперируется предназначенными для этого цепями, которые на схемах фиг.1а, б, в не показаны.

Подобным же образом коммутатор работает в схемах преобразователей постоянного напряжения повышающего (фиг.1б) и реверсивного (фиг.1в) типов. Следует лишь учесть, что в схеме преобразователя повышающего типа напряжения U_кэ на интервале времени t<t₁ и U₃ на интервале времени t₁<t<t₂ равны ЭДС нагрузки, а в схеме преобразователя реверсивного типа разности напряжения источника питания и ЭДС нагрузки. Следует также иметь в виду, что диаграммы токов нагрузки в этих схемах будут другими.

Сущность: коммутатор для преобразователя постоянного напряжения, содержащий транзистор, обратный диод и нелинейный задерживающий дроссель, цепь коллектор-эмиттер транзистора, нелинейный задерживающий дроссель и первичная обмотка нелинейного коммутирующего трансформатора соединены последовательно, один вывод коммутирующего диода соединен с одноименным выводом обратного диода, второй вывод коммутирующего диода соединен с одним выводом вторичной обмотки коммутирующего трансформатора, другой вывод которой соединен со вторым выводом обратного диода, выводы обмоток нелинейного коммутирующего трансформатора подключены к остальным элементам устройства таким образом, что разрешенное направление тока через транзистор и первичную обмотку соответствует прямому направлению тока через коммутирующий диод и вторичную обмотку. 2 ил.

Коммутатор для преобразователя постоянного напряжения, содержащий транзистор, обратный диод и нелинейный задерживающий дроссель, отличающийся тем, что в него введены нелинейный коммутирующий трансформатор, коммутирующий диод и цепи рассеяния или рекуперации энергии, накопленной остаточными индуктивностями задерживающего дросселя и коммутирующего трансформатора, причем цепь коллектор-эмиттер транзистора, нелинейный задерживающий дроссель и первичная обмотка нелинейного коммутирующего трансформатора соединены последовательно, один вывод коммутирующего диода соединен с одноименным выводом обратного диода, второй вывод коммутирующего диода соединен с одним выводом вторичной обмотки коммутирующего трансформатора, другой вывод которой соединен с вторым выводом обратного диода, выводы обмоток нелинейного коммутирующего трансформатора подключены к остальным элементам устройства таким образом, что разрешенное направление тока через транзистор и первичную обмотку соответствует прямому направлению тока через коммутирующий диод и вторичную обмотку.