ТРАНЗИСТОРНЫЙ КОНВЕРТОР Российский патент 2000 года по МПК H02M3/337 H02M7/517 H02M7/519 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в транзисторных конверторах, преобразующих постоянное напряжение одного уровня в постоянное напряжение другого уровня, применяемых преимущественно в автономных установках электропитания.

Известен двухтактный транзисторный конвертор, содержащий входные и выходные выводы, выходной трансформатор с первичной и вторичной обмотками, два диода и два транзистора, коллекторы которых присоединены к концам первичной обмотки выходного трансформатора, отвод от средней точки первичной обмотки подключен к одному входному выводу, соединенному с первым выходным выводом, второй входной вывод присоединен к эмиттерам транзисторов, а базы транзисторов присоединены к отводам, подключенным к виткам, отстоящим от концов вторичной обмотки выходного трансформатора, которые через диоды присоединены ко второму выходному выводу (см. патент США N 3348119, кл. 363-22, оп. 1967). В известном транзисторном конверторе в качестве управляющей переключением транзисторов обмотки используется часть вторичной обмотки, отводы которой присоединены к базам транзисторов и расположены симметрично относительно центра вторичной обмотки, и для выпрямления используются диоды и переходы база-коллектор в транзисторах.

Недостатком известного транзисторного конвертора являются большие потери в процессе преобразования, обусловленные высокими динамическими потерями в транзисторах, и значительные габариты и вес. Вторичная обмотка выходного трансформатора выполняется в виде полуобмоток, каждая из которых в процессе полного периода взаимного переключения транзисторов работает только в течение полупериодa, что приводит к увеличению габаритов и массы трансформатора, а следовательно, и всего транзисторного конвертора.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному является транзисторный конвертор, содержащий входные и выходные выводы, выходной трансформатор с первичной и вторичной обмотками, четыре диода и два транзистора, коллектор каждого из которых соединен с соответствующим концом первичной обмотки выходного трансформатора, база каждого из транзисторов соединена с первым выходным выводом через цепочку из двух согласно-последовательно соединенных диодов, средняя точка которой подключена к соответствующему концу вторичной обмотки выходного трансформатора, эмиттеры транзисторов соединены с первым входным выводом, при этом второй входной вывод подключен к отводу от средней точки первичной обмотки выходного трансформатора и соединен сo вторым выходным выводом (см. Апаров А.Б., Еременко В.Г., Негневицкий И.Б. Транзисторные преобразователи для низковольтных источников энергии.- М.: Энергия, с. 17, рис. 1.8б). В известном транзисторном конверторе в качестве управляющей обмотки используется часть вторичной обмотки выходного трансформатора, которая подключена к базам транзисторов.

Недостатком известного транзисторного конвертора являются сравнительно большие потери энергии, обусловленные высокими динамическими потерями в транзисторах, что приводит к соответствующему снижению коэффициента полезного действия конверторa. Высокие динамические потери в транзисторах известного конвертора определяются отсутствием активного их запирания в процессе переключения вследствие медленного нарастания запирающего напряжения на управляющей обмотке выходного трансформатора. В известном конверторе при переключении транзистора замедляются процессы рассасывания неосновных носителей в области базы транзистора, что вызывает увеличение времени спадания коллекторного тока и соответствующее замедление нарастания напряжения на транзисторе, приводящее к увеличению динамических потерь.

Задачей изобретения является уменьшение потерь в транзисторном конверторе за счет снижения динамических потерь в его транзисторах.

Решение поставленной задачи обеспечивается в заявленном транзисторном конверторе, содержащем входные и выходные выводы, выходной трансформатор с первичной, вторичной и дополнительной обмотками, четыре диода и два транзистора, коллектор каждого из которых соединен с соответствующим концом первичной обмотки выходного трансформатора, базa каждого из транзисторов соединена с первым выходным выводом через цепочку из двух согласно-последовательно соединенных диодов, средняя точка которой подключена к соответствующему концу вторичной обмотки выходного трансформатора, эмиттеры транзисторов соединены с первым входным выводом, второй входной вывод подключен к отводу от средней точки первичной обмотки выходного трансформатора и соединен сo вторым выходным выводом, и конденсатор, один вывод которого соединен с эмиттерами транзисторов, а другой - с отводом от средней точки дополнительной обмотки выходного трансформатора, концы которой подключены к базам транзисторов, при этом предпочтительно отношение количества витков дополнительной обмотки к количеству витков первичной обмотки обеспечивает напряжение на дополнительной обмотке выходного трансформатора, которое не превышает величины предельно допустимого напряжения на переходе база-эмиттер транзистора.

Введение в транзисторный конвертор дополнительной обмотки с оптимальным количеством витков, концы которой подключены к базам транзисторов и конденсатора, один вывод которого подключен к отводу от средней точки этой обмотки, а другой - к эмиттерам транзисторов, позволяет существенно уменьшить динамические потери в транзисторах конвертора. В процессе переключения транзисторов напряжение на конденсаторе оказывается приложенным к базе закрывающегося транзистора в запирающем направлении. При этом через переход эмиттер-база этого транзистора начинает протекать разрядный ток конденсатора, который ускоряет процесс рассасывания неосновных носителей в области базы. Таким образом, введение конденсатора способствует активному запиранию транзистора. В результате этого скорость спада коллекторного тока запирающегося транзистора резко увеличивается, что позволяет существенно снизить динамические потери в транзисторах, которые составляет значительную часть (особенно на высоких частотах, например в десятки кГц) от общих потерь транзисторного конвертора. Дополнительная обмотка выходного трансформатора в заявленном транзисторном конверторе выполняет функцию управляющей обмотки и предназначена только для переключения транзисторов, и поэтому токи, проходящие через нее, невелики. Соответственно дополнительная обмотка может быть изготовлена из привода малого диаметра. Подключение одного вывода конденсатора к эмиттерам транзисторов, а другого - именно к средней точке дополнительной обмотки выходного трансформатора позволяет обеспечить симметрию воздействия напряжения конденсатора на базы переключаемых транзисторов и тем самым упростить схему переключения в конверторе. Напряжение на дополнительной обмотке, пропорциональное количеству ее витков и коэффициенту трансформации по отношению к первичной обмотке, должно быть достаточным для надежного запирания транзистора. В современных биполярных транзисторах надежное запирание обеспечивается при напряжениях порядка 2-4 B. С другой стороны, это напряжение не должно превышать предельно допустимого обратного напряжения на переходе база-эмиттер закрытого транзистора. Поэтому отношение количества витков дополнительной обмотки к количеству витков первичной обмотки выходного трансформатора целесообразно выбирать из условия обеспечения напряжения на дополнительной обмотке, не превышающего предела допустимой величины обратного напряжения на переходе база-эмиттер транзистора.

На чертеже представлена принципиальная электрическая схема заявленного транзисторного конвертора.

Транзисторный конвертор содержит: входные выходы 1,2, выходные выводы 3,4, выходной трансформатор 5, включающий первичную обмотку, состоящую из двух полуобмоток 6,7, вторичную обмотку 8 и дополнительную обмотку 9, четыре диода 10,11,12,13, два транзистора 14,15 и конденсатор 16, один вывод которого подключен к отводу от средней точки дополнительной обмотки 9, а другой - к эмиттерам транзисторов 14,15.

Трансформатор 5 содержит сердечник, изготавливаемый из магнитомягких материалов. Дополнительная обмотка 9 рассчитана на незначительные токи и поэтому может быть изготовлена из провода малого диаметра, например сотые-десятые доли миллиметра, при диаметрах провода в первичной 6,7 и вторичной 8 обмотках в несколько миллиметров. Транзисторный конвертор выполняется по дифференциальной схеме с обратной связью по току. Концы полуобмоток 6,7, составляющих первичную обмотку выходного трансформатора, присоединены к коллекторам транзисторов 14,15, причем ее средняя точка подключена к одному из входных выходов 2, а эмиттеры указанных транзисторов присоединены к другому входному выводу 1. База транзистора 14 подключена к первому выходному выводу 3 через цепочку, состоящую из двух согласно-последовательно соединенных диодов 10 и 11, к которому также через цепочку из двух согласно-последовательно соединенных диодов 12 и 13 подключена база другого транзистора 15, при этом второй выходной вывод 4 соединен с первым входным выводом 1. Один конец вторичной обмотки 8 подключается между диодами 10 и 11, а другой - между диодами 12 и 13. В случае использования транзисторов n-p-n типа проводимости к базам транзисторов 14,15 подключаются катоды диодов 10 и 12, a в случае использования транзисторов p-n-p типа - их аноды. Один транзисторный вывод конденсатора 16 подключен к эмиттерам транзисторов 14,15, а другой вывод - к средней точке дополнительной обмотки 9, концы которой присоединены к базам этих транзисторов.

Транзисторный конвертор работает следующим образом. При подключении источника электроэнергии (не показан) к входным выводам 1,2 открывается транзистор 14, при этом напряжение источника приложено к концам полуобмоток 6,7 выходного трансформатора и уравновешивается ЭДС первичной обмотки. Полярность напряжения на дополнительной обмотке 9 такова, что транзистор 14 поддерживается в открытом состоянии, а транзистор 15 - в закрытом, при этом одновременно происходит заряд конденсатора 16 с полярностью, указанной на чертеже. Ток базы транзистора 14 замыкается по контуру: источник, подключенный к входным выводам 1,2 - переход эмиттер-база транзистора 14 - диод 10 - вторичная обмотка 8 - диод 13 - нагрузка, подключенная к выходным выводам 3,4. Переключение транзисторов 14 и 15, т.е. их коммутация, происходит при насыщении сердечника выходного трансформатора 5, при этом напряжение конденсатора 16 прикладывается к базе транзистора 14, ускоряя его запирание и уменьшая тем самым динамические потери. После переключения транзисторов 14 и 15 аналогичный процесс преобразования в конверторе повторяется, при этом напряжение конденсатора 16 прикладывается к базе транзистора 15, и затем процесс повторяется многократно.

На предприятии (МЭИ, г. Москва) были изготовлены опытные образцы заявленного транзисторного конвертора, которые успешно прошли испытания. При помощи источника электроэнергии 60 Вт напряжение, поступающее на входные выводы конвертора, составляло U₁=12 B, при этом напряжение на дополнительной обмотке выходного трансформатора равнялось 4 B, а напряжение на нагрузке, подключенной к выходным выводам конвертора, составляло U₂=220 B. Коэффициент полезного действия транзисторного конвертора составлял 95,2%, в то время как КПД известного конвертора с аналогичными параметрами преобразуемой мощности и напряжения равнялся 90%.

Таким образом, в сравнении с известными транзисторными конверторами заявленный конвертор позволил более чем в два раза снизить потери в процессе преобразования.

Изобретение может использоваться в электротехнике в преобразователях постоянного напряжения одного уровня в постоянное напряжение другого уровня. Транзисторный конвертор содержит два транзистора (Т) 14,15, четыре диода (Д) 10,11,12,13, выходной трансформатор (Тр) 5 с первичной обмоткой из двух полуобмоток 6,7, соединенных с коллекторами Т 14,15, вторичной обмоткой 8 и дополнительной обмоткой (ДО) 9, которая выполняет функцию управляющей обмотки, концы которой подключены к базам Т 14,15, конденсатор (К) 16, включенный между эмиттерами Т 14,15 и средней точкой ДО 9. Переключение Т 14,15 осуществляется с помощью ДО 9, при этом напряжение на К 16 прилагается к базе закрываемого Т, ускоряя его запирание. Технический результат: снижение динамических потерь в Т конвертора, уменьшение общих потерь. 1 ил.

Транзисторный конвертор, содержащий входные и выходные выводы, выходной трансформатор с первичной и вторичной обмотками, четыре диода и два транзистора, коллектор каждого из которых соединен с соответствующим концом первичной обмотки выходного трансформатора, база каждого из транзисторов соединена с первым выходным выводом через цепочку из двух согласно-последовательно соединенных диодов, средняя точка которой подключена к соответствующему концу вторичной обмотки выходного трансформатора, эмиттеры транзисторов соединены с первым входным выводом, при этом второй входной вывод подключен к отводу от средней точки первичной обмотки выходного трансформатора и соединен с вторым выходным выводом, отличающийся тем, что в него введены конденсатор и дополнительная обмотка выходного трансформатора, концы которой подключены к базам транзисторов, а отвод от ее средней точки через конденсатор соединен с эмиттерами транзисторов, причем отношение количества витков дополнительной обмотки к количеству витков первичной обмотки обеспечивает напряжение на дополнительной обмотке выходного трансформатора, величина которого не превышает величины допустимого обратного напряжения на переходе база-эмиттер транзистора.