ТРАНЗИСТОРНЫЙ КЛЮЧ Российский патент 1998 года по МПК H03K17/08 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания.

Известны транзисторные ключи, содержащие первичный источник питания, силовой транзистор, реактивную нагрузку, включающую в себя импульсный трансформатор, и корректирующий дроссель [1].

Для передачи энергии, накапливаемой в корректирующем дросселе во время открытого состояния транзисторного ключа, дроссель имеет вторичную обмотку с подключенным выпрямительным диодом. Во время закрытого состояния транзисторного ключа вторичная обмотка корректирующего дросселя оказывается закороченной. Однако при постоянной времени дросселя τ = L/R → 0, ток в нем не спадает и эффективной передачи энергии в нагрузку преобразователя не происходит.

Наиболее близким к предлагаемому является транзисторный ключ, содержащий первичный источник питания, к которому последовательно подключены реактивная нагрузка, включающая в себя импульсный трансформатор, первый и второй выводы первичной обмотки корректирующего дросселя и переход коллектор - эмиттер силового транзистора, вторичная обмотка корректирующего дросселя через выпрямительный диод подключена к дополнительной обмотке дросселя выходного фильтра [2].

В таком транзисторном ключе значительная часть энергии, накопленной в корректирующем дросселе, передается в нагрузку. Однако в этом устройстве невозможно полное исключение диссипативных резисторов, т.е. ее КПД ограничен. Кроме того, к корректирующему дросселю предъявляется требование повышенной прочности изоляции, так как, его первичная и вторичная обмотки соответственно подключены к первичному источнику питания и нагрузке, что усложняет его конструкцию. Дополнительные обмотки усложняют и конструкцию силового дросселя выходного фильтра.

Техническим результатом, получаемым при осуществлении изобретения, является повышение КПД, надежности и технологичности транзисторного ключа и преобразователя, построенного на его основе.

Это достигается тем, что в транзисторном ключе, содержащем первичный источник питания, к которому последовательно подключены реактивная нагрузка с импульсным трансформатором, первый и второй выводы первичной обмотки корректирующего дросселя и переход сток-исток (коллектор-эмиттер) силового транзистора, и блок управления, первый вывод вторичной обмотки корректирующего дросселя подключен к второму выводу первичной обмотки, второй вывод вторичной обмотки через переход анод-катод первого диода и конденсатор подключен к второму выводу первичной обмотки, катод первого диода подключен к аноду второго диода, катод которого подключен к первому выводу первичной обмотки корректирующего дросселя.

Это достигается также тем, что в транзисторный ключ введен включенный последовательно с вторым третий диод, а второй диод подключен к первому выводу первичной обмотки корректирующего дросселя через введенный диод.

На чертеже приведена схема предлагаемого транзисторного ключа.

На чертеже приняты следующие обозначения: 1 - первичный источник питания, 2 - реактивная нагрузка, 3 - первичная обмотка, 4 - корректирующий дроссель, 5 - силовой транзистор, 6 - вторичная обмотка, 7 - первый диод, 8 - конденсатор, 9, 10 - второй и третий диоды, 11 - блок управления.

Устройство содержит первичный источник питания 1, к которому последовательно подключены реактивная нагрузка с импульсным трансформатором 2, первый и второй выводы первичной обмотки 3 корректирующего дросселя 4, переход сток-исток (коллектор-эмиттер) силового транзистора 5, вторичную обмотку корректирующего дросселя 6, первый вывод которой подключен к второму выводу обмотки 3. Второй вывод обмотки 6 через диод 7 и конденсатор 8 подключен к второму выводу обмотки 3, катод диода 7 через последовательно соединенные диоды 9, 10 соединен с первым выводом обмотки 3. Блок управления 11 подключен к управляющему входу силового транзистора 5.

Устройство работает следующим образом. Блок управления 11 формирует импульсы, периодически отпирающие и запирающие силовой транзистор 5. В реактивной нагрузке 2 присутствует емкостная составляющая (конденсатор или межвитковая емкость обмотки импульсного трансформатора), благодаря которой при включении транзистора 5 ток в цепи сток-исток может быстро нарастать, опережая процесс спада напряжения на нем. Это вызывает повышенные динамические потери при включении транзистора 5. Для ограничения скорости нарастания тока и его задержки до снижения напряжения сток-исток служит первичная обмотка 3 корректирующего дросселя 4. В течение открытого состояния транзистора 5 индуктивность обмотки 3 накапливает магнитную энергию, которая должна быть выведена из дросселя 4 при запирании транзистора.

В момент запирания транзистора 5 напряжение на обмотке 3 меняет знак и конденсатор и начинает заряжаться через диоды 9, 10. На вторичной обмотке 6, включенной встречно и содержащей в 2-3 раза больше витков) возникает ЭДС, которая через диод 7 перезаряжает конденсатор 8 в противоположной полярности. В результате на конденсаторе 8 поддерживается низкое (≈1 В) постоянное напряжение, не влияющее на работу схемы между моментами коммутации.

Таким образом, магнитная энергия, накапливаемая в дросселе, трансформируется в электрическую энергию перезаряда конденсатора, что позволяет исключить диссипативные резисторы и повысить КПД транзисторного ключа.

Для уменьшения емкостной связи между обмотками дросселя 4 и повышения его технологичности он выполняется в виде двух секций на стержневом сердечнике.

Блок управления 11 может быть выполнен аналогично блоку управления, описанному в авт. св. N 1220075.

Необходимым условием работы является запертое состояние диодов 9, 10 в паузе между моментами коммутации. В противном случае, даже при разомкнутом (стержневом) сердечнике дросселя наступает его насыщение.

Вследствие неидеальности диодов и конденсатора на нем в моменты коммутации возникают импульсные помехи. Для исключения насыщения сердечника дросселя по этой причине используется последовательное соединение двух диодов 9, 10.

Поскольку обмотки дросселя 4 электрически связаны, то к нему не предъявляются требования повышенной электрической прочности. Не требуется также каких-либо усложнений других элементов преобразователя (дросселя выходного фильтра).

Предложенное техническое решение проверялось в составе преобразователя напряжения с электропитанием от выпрямленного напряжения промышленной сети 220В. Выходные параметры: 15 В; 14 А. В качестве силового транзистора используется прибор КП809А1.

Использование предложенного решения позволило снизить рассеиваемую транзистором мощность на 3 Вт.

Транзисторный ключ, содержит первичный источник питания, к которому последовательно подключены реактивная нагрузка с импульсным трансформатором, первый и второй выводы первичной обмотки корректирующего дросселя и переход сток-исток (коллектор-эмиттер) силового транзистора и блок управления, подключенный к направляющему входу силового транзистора, первый вывод вторичной обмотки корректирующего дросселя подключен к второму выводу первичной обмотки, второй вывод вторичной обмотки через переход анод-катод первого диода и конденсатор подключен к второму выводу первичной обмотки, катод первого диода подключен к аноду второго диода, катод которого подключен к первому выводу первичной обмотки корректирующего дросселя 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Транзисторный ключ, содержащий первичный источник питания, к которому последовательно подключены реактивная нагрузка с импульсным трансформатором, первый и второй выводы первичной обмотки корректирующего дросселя и переход сток исток (коллектор эмиттер) силового транзистора и блок управления, подключенный к управляющему входу силового транзистора, отличающийся тем, что первый вывод вторичной обмотки корректирующего дросселя подключен к второму выводу первичной обмотки, второй вывод вторичной обмотки через переход анод катод первого диода и конденсатор подключен к второму выводу первичной обмотки, катод первого диода подключн к аноду второго диода, катод которого подключен к первому выводу первичной обмотки корректирующего дросселя. 2. Ключ по п.1, отличающийся тем, что в него введен включенный последовательно с вторым третий диод, а второй диод подключен к первому выводу первичной обмотки корректирующего дросселя через третий диод.