СНАББЕР НАПРЯЖЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2005 года по МПК H02M1/16 

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано во вторичных источниках питания.

Известны снабберы напряжения (от шведского слова snabber - замедляющий рост), включаемые параллельно ключу в импульсных устройствах и уменьшающие динамические потери в ключе при его выключении.

Известен снаббер напряжения, использованный в импульсном регуляторе напряжения и содержащий первую последовательную цепь из первого диода и первого конденсатора, включенную первым диодом к «горячему» выводу ключа, а первым конденсатором - к «холодному» выводу ключа, вторую последовательную цепь из второго конденсатора и второго диода, включенную вторым конденсатором к «горячему» выводу ключа, а вторым диодом - к шине питания обратно первому диоду, цепь рекуперации из последовательно соединенных дросселя и третьего диода, включенного обратно первому диоду, причем свободный вывод дросселя соединен с общей точкой первого диода и первого конденсатора, а свободный вывод третьего диода - с общей точкой второго конденсатора и второго диода (В.М.Боровиков, Ю.И.Красников. Импульсный регулятор напряжения. Патент СССР SU №1820985 A3, 12.11.1993, бюл. №21) [1].

Недостатком данного снаббера напряжения является то, что его невозможно использовать совместно со снаббером тока, поскольку наличие индуктивности снаббера тока последовательно с ключом приводит к перенапряжению на ключе при его выключении, что в свою очередь приводит к возникновению неконтролируемого тока в дросселе снаббера напряжения.

Указанный недостаток устранен в схеме импульсного регулятора напряжения, защищенного патентом РФ RU №2168838 С1, 10.06.2001, бюл. №16 [2].

Данная схема (фиг.1) включает снаббер напряжения, который является наиболее близким аналогом предлагаемому техническому решению.

На фиг.1 снаббер напряжения выделен штриховой линией. Он содержит первую последовательную цепь из первого диода и первого конденсатора, подключенную первым диодом к «горячему» выводу ключа импульсного регулятора напряжения, а первым конденсатором - к «холодному» выводу ключа импульсного регулятора напряжения, вторую последовательную цепь из второго конденсатора и второго диода, подключенную вторым конденсатором к «горячему» выводу ключа импульсного регулятора напряжения, а вторым диодом - к шине питания импульсного регулятора напряжения обратно первому диоду, цепь рекуперации из последовательно соединенных дополнительного ключа, дросселя и третьего диода, включенного обратно первому диоду, причем свободный вывод дополнительного ключа соединен с общей точкой первого диода и первого конденсатора, а свободный вывод третьего диода - с общей точкой второго конденсатора и второго диода.

Недостатками данного снаббера напряжения являются большие перенапряжения на ключе импульсного регулятора напряжения при его выключении (из-за включенной последовательно с ключом индуктивности снаббера тока) и необходимость использования дополнительного ключа в снаббере напряжения.

Задача, решаемая изобретением, - уменьшение перенапряжения на ключе, параллельно которому включен снаббер напряжения, и упрощение снаббера напряжения за счет ликвидации дополнительного ключа.

Поставленная задача решена за счет того, что в известном снаббере напряжения, содержащем первый, второй и третий выводы, первую последовательную цепь из первого диода и первого конденсатора, включенную первым диодом ко второму выводу, а первым конденсатором - к первому выводу, вторую последовательную цепь из второго конденсатора и второго диода, включенную вторым конденсатором ко второму выводу, цепь рекуперации из последовательно соединенных дросселя и третьего диода, включенного обратно первому диоду, причем свободный вывод третьего диода соединен с общей точкой второго конденсатора и второго диода, свободный конец дросселя подключен к общей точке первого диода и первого конденсатора, дополнительно введены третья последовательная цепь из четвертого диода и третьего конденсатора, включенная четвертым диодом ко второму выводу согласно первому диоду, а третьим конденсатором - к первому выводу, резистор, одним выводом соединенный с третьим выводом, другим выводом - со средней точкой четвертого диода и третьего конденсатора, второй диод свободным выводом подключен к общей точке четвертого диода, третьего конденсатора и резистора обратно первому диоду.

Возможен второй вариант, когда четвертый диод подключен к третьему выводу согласно первому диоду.

Описание заявляемого снаббера напряжения поясняется фиг.2 и 3. На фиг.4 и 5 приведен пример использования снаббера напряжения (вариант 1) в импульсном регуляторе напряжения, на фиг.6, 7 - пример использования снаббера напряжения (вариант 2) в инверторе тока.

Снаббер напряжения по варианту 1 (фиг.2) содержит первый 1, второй 2 и третий 3 выводы, первую последовательную цепь из первого диода 4 и первого конденсатора 5, включенную первым диодом 4 ко второму выводу 2, а первым конденсатором 5 - к первому выводу 1, вторую последовательную цепь из второго конденсатора 6 и второго диода 7, включенную вторым конденсатором 6 ко второму выводу 2, цепь рекуперации из последовательно соединенных дросселя 8 и третьего диода 9, причем свободный вывод дросселя 8 подключен к общей точке первого диода 4 и первого конденсатора 5, а свободный вывод третьего диода 9 соединен с общей точкой второго конденсатора 6 и второго диода 7 обратно первому диоду 4, третью последовательную цепь из четвертого диода 10 и третьего конденсатора 11, включенную четвертым диодом 10 ко второму выводу 2 согласно первому диоду 4, а третьим конденсатором 11 - к первому выводу 1, резистор 12, одним выводом соединенный с третьим выводом 3, другим выводом - со средней точкой четвертого диода 10 и третьего конденсатора 11, второй диод 7 свободным выводом подключен к общей точке четвертого диода 10, третьего конденсатора 11 и резистора 12 обратно первому диоду 4.

На фиг.3 представлен вариант 2 снаббера напряжения, в котором четвертый диод 10 подключен к третьему выводу 3 согласно первому диоду 4.

Работа снаббера напряжения по варианту 1 поясняется на примере его использования в импульсном регуляторе напряжения, приведенном на фиг.4.

Импульсный регулятор напряжения (фиг.4) содержит входной 14, общий 15 и выходной 16 выводы для подключения, соответственно, источника питания 17 и активно-индуктивной нагрузки 18, обратный диод 19, ключ 20, источник управляющих сигналов 21, дроссель 22, диод 23, снаббер напряжения 13, подключенный первым выводом 1 к входному выводу 14, вторым выводом 2 - к средней точке ключа 20 и дросселя 22, третьим выводом 3 - к общему выводу 15 и содержащий первую последовательную цепь из диода 4 и конденсатора 5, вторую последовательную цепь из конденсатора 6 и диода 7, цепь рекуперации из последовательно соединенных дросселя 8 и диода 9, третью последовательную цепь из диода 10 и конденсатора 11, резистор 12.

Снаббер напряжения 13 в составе импульсного регулятора напряжения работает следующим образом.

Пусть в установившемся режиме работы импульсного регулятора напряжения в начальный момент времени ключ 20 замкнут, конденсатор 5 разряжен почти до нуля, напряжение на конденсаторах 6, 11 равно напряжению источника питания 17, тока в дросселе 8 нет, диоды 4, 7, 9, 10 заперты.

При размыкании ключа 20 в момент времени t₀ (фиг.5) ток дросселя 22 начинает заряжать конденсатор 5 через диод 4 и разряжать конденсатор 6 через диод 7 и конденсатор 11, при этом скорость нарастания напряжения на ключе 20 ограничена отношением тока через дроссель 22 к суммарной емкости конденсаторов 5, 6 (емкости конденсаторов 5, 6 равны между собой, емкость конденсатора 11 много больше емкости конденсаторов 5, 6). Через резистор 12 конденсатор 11 начнет разряжаться на источник питания 17.

В момент времени t₁ конденсатор 6 разрядится до нуля, напряжение на конденсаторе 5 станет равным напряжению на конденсаторе 11, откроется диод 10 и ток дросселя 22 начнет заряжать конденсаторы 5, 11, при этом скорость нарастания напряжения на ключе 20, равная отношению тока через дроссель 22 к суммарной емкости конденсаторов 5, 11, резко уменьшится.

В момент времени t₂ ток в дросселе 22 уменьшится до нуля, ток нагрузки 18 замкнется через обратный диод 19, напряжение на ключе 20 скачком уменьшится до напряжения источника питания 17. Т.к. напряжение на конденсаторе 5 выше напряжения источника питания 17, а конденсатор 6 полностью разряжен, начнется частичная разрядка конденсатора 5 по цепи: конденсатор 5 - дроссель 8 - диод 9 - конденсатор 6 - дроссель 22 - обратный диод 19 - источник питания 17. К моменту времени t₃ напряжение на конденсаторе 5 установится равным напряжению источника питания 17, а напряжение на конденсаторе 6 станет равным напряжению, равному разности напряжений на конденсаторе 11 и источника питания 17.

В момент времени t₄ замкнется ключ 20 и начнется перезарядка конденсатора 5 на конденсатор 6 по цепи: конденсатор 5 - дроссель 8 - диод 9 - конденсатор 6 - ключ 20. К моменту времени t₅ конденсатор 6 зарядится до напряжения источника питания 17, а конденсатор 5 разрядится почти до нуля.

К началу следующего периода конденсатор 11 разрядится до напряжения источника питания 17. При размыкании ключа 20 в момент времени t₆ процессы в схеме снаббера напряжения 13 повторятся аналогично моменту времени t₀.

Таким образом, дополнительно введенная в снаббер напряжения 13 цепь из последовательно соединенных диода 10 и конденсатора 11 уменьшает перенапряжение на ключе 20 в момент его выключения, а подключение свободного вывода диода 7 к общей точке диода 10, конденсатора 11 и дополнительно введенного резистора 12 ликвидирует неконтролируемый ток в дросселе 8 без использования дополнительного ключа в снаббере напряжения 13.

Работа снаббера напряжения по варианту 2 поясняется на примере его использования в инверторе тока, являющемся частью вторичного источника питания, приведенного на фиг.6.

Вторичный источник питания (фиг.6) содержит источник питания 14, генератор тока 15, инвертор тока, выполненный по мостовой схеме на ключах 16, 17, 18, 19 и включающий в себя схему управления 20 и снабберы напряжения 13, 13', нагрузку 21.

Снаббер напряжения 13 содержит выводы 1, 2, 3, первую последовательную цепь из диода 4 и конденсатора 5, вторую последовательную цепь из конденсатора 6 и диода 7, цепь рекуперации из последовательно соединенных дросселя 8 и диода 9, третью последовательную цепь из диода 10 и конденсатора 11, резистор 12. Выводами 1, 3 снаббер напряжения 13 подключается к стойке ключей 16, 18, а выводом 2 - к средней точке ключей 16, 18.

Рассмотрим работу снаббера напряжения 13 в составе инвертора тока.

Пусть в начальный момент ключи 17, 18 замкнуты, ключи 16, 19 разомкнуты, конденсатор 5 разряжен до нуля, конденсаторы 6, 11 заряжены до напряжения, немного превышающего напряжение на нагрузке 21, тока в дросселе 8 нет, диоды 4, 7, 9 и 10 заперты.

В момент времени t₀ (фиг.7) схема управления 20 размыкает ключи 17, 18 и замыкает ключи 16, 19. Сумма токов нагрузки 21 и генератора тока 15 начинает заряжать конденсатор 5 через диод 4 и разряжать конденсатор 6 через диод 7 и конденсатор 11, при этом скорость нарастания напряжения на ключах 17, 18 ограничена отношением суммарного тока нагрузки 21 и генератора тока 15 к суммарной емкости конденсаторов 5, 6 (емкости конденсаторов 5, 6 равны между собой, емкость конденсатора 11 много больше емкости конденсаторов 5, 6). Под действием напряжения на ключе 18 начнется изменение направления тока в нагрузке 21.

В момент времени t₁ конденсатор 6 разрядится до нуля, напряжение на конденсаторе 5 станет равным напряжению на конденсаторе 11, откроется диод 10 и разность токов генератора тока 15 и нагрузки 21 начнет заряжать конденсаторы 5, 11, при этом скорость нарастания напряжения на ключах 17, 18, равная отношению разностного тока генератора тока 15 и нагрузки 21 к суммарной емкости конденсаторов 5, 11, резко уменьшится.

Заметим, что т.к. напряжения на ключах 17, 18 равны между собой, снаббер напряжения 13 формирует траекторию переключения как ключа 18, так и ключа 17.

В момент времени t₂ ток нагрузки 21 станет равным току генератора тока 15, диоды 4, 10 закроются и начнется частичная разрядка на нагрузку 21 конденсатора 11 через резистор 12, а конденсатора 5 - по цепи: дроссель 8 - диод 9 - диод 7 - резистор 12.

В момент времени t₃ схема управления 20 размыкает ключи 16, 19 и замыкает ключи 17, 18. Начинается перезарядка конденсатора 5 на конденсатор 6 по цепи: конденсатор 5 - дроссель 8 - диод 9 - конденсатор 6 - ключ 18.

К моменту времени t₄ конденсатор 6 зарядится до напряжения, немного превышающего напряжение на нагрузке 21, а конденсатор 5 разрядится до нуля.

В момент времени 15 схема управления 20 размыкает ключи 17, 18, замыкает ключи 16, 19 и начинается следующий период работы инвертора тока.

Таким образом, снаббер напряжения 13 ограничивает скорость нарастания напряжения на ключах 17, 18 в момент их размыкания и уменьшает перенапряжения на них, связанные с наличием индуктивной составляющей нагрузки 21.

Снаббер напряжения 13' работает аналогично снабберу напряжения 13 со сдвигом по времени на полпериода работы инвертора тока.

Отметим, что элементы 10, 11, 12 снаббера напряжения 13 могут быть общими для обоих снабберов напряжения 13, 13' (с исключением соответственно элементов 10', 11', 12').

Наиболее целесообразно применение данного изобретения в импульсных регуляторах напряжения, преобразователях частоты и напряжения большой мощности, работающих при повышенных входных напряжениях, например, в железнодорожном и городском транспорте.

Используемая литература:

1. В.М.Боровиков, Ю.И.Красников. Импульсный регулятор напряжения. Патент СССР SU №1820985 A3, 12.11.1993, бюл. №21.

2. Ю.И.Красников, В.М.Боровиков, В.И.Ковтун. Импульсный регулятор напряжения. Патент РФ RU №2168838 С1, 10.06. 2001, бюл. №16.

Изобретение относится к электротехнике для использования в преобразовательной технике в импульсных регуляторах напряжения, преобразователях частоты и напряжения большой мощности, работающих при повышенных входных напряжениях, например, в железнодорожном и городском транспорте. Технический результат заключается в уменьшении напряжения на ключе, параллельно которому включен снаббер напряжения, и упрощение снаббера напряжения за счет исключения дополнительного ключа. Снаббер напряжения (фиг.2 и 3) содержит выводы (1, 2, 3), диоды (4, 7, 9, 10), конденсаторы (5, 6, 11), дроссель (8), резистор (12). Варианты отличаются включением диода (10). Снаббер напряжения ограничивает скорость нарастания напряжения на ключах в момент их размыкания и уменьшает напряжения на них, связанные с наличием индуктивной составляющей нагрузки, а также ликвидирует неконтролируемый ток в дросселе (8) без использования дополнительного ключа. 2 н.п.ф-лы, 7 ил.

1. Снаббер напряжения, содержащий первый, второй и третий выводы, первую последовательную цепь из первого диода и первого конденсатора, включенную первым диодом ко второму выводу, а первым конденсатором - к первому выводу, вторую последовательную цепь из второго конденсатора и второго диода, включенную вторым конденсатором ко второму выводу, цепь рекуперации из последовательно соединенных дросселя и третьего диода, включенного обратно первому диоду, причем свободный вывод третьего диода соединен с общей точкой второго конденсатора и второго диода, отличающийся тем, что свободный конец дросселя подключен к общей точке первого диода и первого конденсатора, дополнительно введены третья последовательная цепь из четвертого диода и третьего конденсатора, включенная четвертым диодом ко второму выводу согласно первому диоду, а третьим конденсатором - к первому выводу, резистор, одним выводом соединенный с третьим выводом, другим выводом - со средней точкой четвертого диода и третьего конденсатора, второй диод свободным выводом подключен к общей точке четвертого диода, третьего конденсатора и резистора обратно первому диоду.2. Снаббер напряжения, содержащий первый, второй и третий выводы, первую последовательную цепь из первого диода и первого конденсатора, включенную первым диодом ко второму выводу, а первым конденсатором - к первому выводу, вторую последовательную цепь из второго конденсатора и второго диода, включенную вторым конденсатором ко второму выводу, цепь рекуперации из последовательно соединенных дросселя и третьего диода, включенного обратно первому диоду, причем свободный вывод третьего диода соединен с общей точкой второго конденсатора и второго диода, отличающийся тем, что свободный конец дросселя подключен к общей точке первого диода и первого конденсатора, дополнительно введены третья последовательная цепь из четвертого диода и третьего конденсатора, включенная четвертым диодом к третьему выводу согласно первому диоду, а третьим конденсатором - к первому выводу, резистор, одним выводом соединенный с третьим выводом, другим выводом - со средней точкой четвертого диода и третьего конденсатора, второй диод свободным выводом подключен к общей точке четвертого диода, третьего конденсатора и резистора обратно первому диоду.