ПЕРЕКЛЮЧАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОНИЖЕННОЙ НАГРУЗКИ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЯ Российский патент 2011 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к переключающему устройству для разгрузки полупроводникового переключателя в схемах согласующего трансформатора с первичной стороной и вторичной стороной, которые на первичной стороне имеют первый полупроводниковый переключатель и последовательно включенный второй полупроводниковый переключатель, причем вывод стока первого полупроводникового переключателя соединен с первым выводом напряжения питания и вывод истока второго полупроводникового переключателя соединен со вторым выводом напряжения питания, и между выводом истока первого полупроводникового переключателя и выводом стока второго полупроводникового переключателя включена первичная обмотка трансформатора, вторичная обмотка которого соединена с нагрузкой вторичной стороны, и предусмотрен первый диод, который со стороны анода соединен с потенциалом напряжения питания на выводе истока второго полупроводникового переключателя, а со стороны катода - с обращенной к первому полупроводниковому переключателю первой соединительной клеммой на первичной обмотке трансформатора, а также предусмотрен второй диод, который со стороны катода соединен с потенциалом напряжения питания на выводе стока первого полупроводникового переключателя, а со стороны анода - с обращенной ко второму полупроводниковому переключателю второй соединительной клеммой на первичной обмотке трансформатора, согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.

Переключающие схемы этого типа известны из асимметричных полумостовых схем, в которых имеющаяся в момент времени фазы запирания полупроводникового переключателя в паразитных индуктивностях, таких как индуктивности проводников или индуктивности рассеяния, энергия через диоды возвращается в соответствующий промежуточный контур напряжения. При этом, однако, допустимая прочность по напряжению полупроводникового переключателя в любом случае должна быть больше, чем уровень напряжения промежуточного контура.

Эта проблема традиционным способом решается использованием полупроводниковых переключателей с соответственно высокими допустимыми напряжениями запирания. Но этим обусловлены соответственно более высокие затраты. С другой стороны, полупроводниковые переключатели с соответственно высокими запирающими напряжениями часто вообще не имеются в распоряжении или имеют другие недостатки, например плохие свойства пропускания или большие габариты компонентов. Поэтому в соответствии с уровнем техники часто также несколько переключателей с высокими допустимыми запирающими напряжениями включаются параллельно, чтобы достичь необходимых свойств проводимости.

Поэтому задачей изобретения является устранить эти недостатки и реализовать переключающее устройство, которое простым и экономичным способом обеспечивает пониженную нагрузку полупроводниковых переключателей.

Эта цель достигается признаками пункта 1 формулы изобретения. Пункт 1 относится к переключающему устройству для разгрузки полупроводниковых переключателей в схемах согласующего трансформатора с первичной стороной и вторичной стороной, которые на первичной стороне имеют первый полупроводниковый переключатель и последовательно включенный второй полупроводниковый переключатель, причем вывод стока первого полупроводникового переключателя соединен с первым выводом напряжения питания и вывод истока второго полупроводникового переключателя соединен со вторым выводом напряжения питания, и между выводом истока первого полупроводникового переключателя и выводом стока второго полупроводникового переключателя включена первичная обмотка трансформатора, вторичная обмотка которого соединена с нагрузкой вторичной стороны, и предусмотрен первый диод, который со стороны анода соединен с потенциалом напряжения питания на выводе истока второго полупроводникового переключателя, а со стороны катода - с обращенной к первому полупроводниковому переключателю первой соединительной клеммой на первичной обмотке трансформатора, а также предусмотрен второй диод, который со стороны катода соединен с потенциалом напряжения питания на выводе стока первого полупроводникового переключателя, а со стороны анода - с обращенной к второму полупроводниковому переключателю второй соединительной клеммой на первичной обмотке трансформатора. В соответствии с изобретением предложено, что предусмотрена первая вспомогательная обмотка трансформатора, которая включена последовательно между первым диодом и первой соединительной клеммой на первичной обмотке трансформатора, и предусмотрена вторая вспомогательная обмотка трансформатора, которая включена последовательно между вторым диодом и второй соединительной клеммой на первичной обмотке трансформатора.

Пункт 2 формулы изобретения относится к части переключательной схемы с переключающим устройством по пункту 1 формулы изобретения.

Изобретение ниже поясняется более подробно на примере выполнения с помощью приложенных чертежей, на которых показано следующее:

Фиг.1 - известное переключающее устройство согласно уровню техники и

Фиг.2 - представление соответствующего изобретению переключающего устройства для части переключательной схемы.

С помощью фиг.1 сначала будет рассмотрено известное переключающее устройство, такое, как известно, например, из схем согласующих трансформаторов с асимметричными полумостовыми схемами. Переключающее устройство состоит из параллельного соединения нескольких промежуточных контуров, которые соответственно образованы из двух полупроводниковых переключателей V1 и V2, а также из двух диодов D2 и D3. Первый полупроводниковый переключатель V1 включен последовательно с вторым полупроводниковым переключателем V2, причем вывод стока первого полупроводникового переключателя V1 соединен с напряжением питания V_in (на фиг.1 не показано), а вывод истока второго полупроводникового переключателя V2 соединен с массой. Между первым полупроводниковым переключателем V1 и вторым полупроводниковым переключателем V2 включена первичная обмотка W1 трансформатора Т1 (на фиг.1 не показано). Кроме того, первый диод D2 со стороны анода соединен с массой, а со стороны катода - с обращенной к первому полупроводниковому переключателю V1 первой соединительной клеммой 1 на первичной обмотке W1 трансформатора Т1. Второй диод D3 со стороны катода соединен с потенциалом напряжения питания на выводе стока первого полупроводникового переключателя V1, а со стороны анода - с обращенной к второму полупроводниковому переключателю V2 второй соединительной клеммой 2 на первичной обмотке W1 трансформатора Т1.

Полупроводниковые переключатели V1 и V2 соответственно включаются одновременно. В фазе проводимости полупроводниковых переключателей V1 и V2 ток протекает через полупроводниковый переключатель V1, первичную обмотку W1 и полупроводниковый переключатель V2 на массу. Оба полупроводниковых переключателя V1 и V2 одновременно вновь выключаются. В фазе запирания полупроводниковых переключателей V1 и V2 индуктивность продолжает возбуждать ток в обтекаемом током контуре и приводит к нарастанию напряжения на полупроводниковых переключателях V1 и V2, пока не будет достигнуто напряжение на промежуточном контуре плюс порог диода. Таким способом максимальная нагрузка напряжения на полупроводниковых переключателях V1 и V2 ограничивается. Однако в фазе запирания полупроводниковых переключателей V1 и V2 допустимая прочность по напряжению полупроводниковых переключателей V1 и V2 должна быть в любом случае больше, чем высота напряжения промежуточного контура.

На фиг.2 для сравнения с этим представлена возможная форма выполнения изобретения, которая гарантирует пониженную нагрузку полупроводниковых переключателей V1 и V2. Она показывает асимметричный полумост с двумя последовательно включенными полупроводниковыми переключателями V1 и V2, причем вывод стока первого полупроводникового переключателя V1 и V2 соединен с первым выводом напряжения питания V_in, а вывод истока второго полупроводникового переключателя V2 - с вторым выводом напряжения питания V_in или с массой. Между выводом истока первого полупроводникового переключателя V1 и выводом стока второго полупроводникового переключателя V2 вновь включена первичная обмотка W1 трансформатора Т1, вторичная обмотка W2 которого соединена с нагрузкой L1 вторичной стороны. На вторичной стороне может также быть предусмотрен каскад выпрямителя и сглаживания, например, с помощью диода D1 и конденсатора С1.

Кроме того, предусмотрен первый диод D2, который со стороны анода соединен с потенциалом напряжения питания на выводе истока второго полупроводникового переключателя V2, а со стороны катода - с обращенной к первому полупроводниковому переключателю V1 первой соединительной клеммой 1 на первичной обмотке W1 трансформатора Т1. Второй диод D3 со стороны катода соединен с потенциалом напряжения питания на выводе стока первого полупроводникового переключателя V1, а со стороны анода - с обращенной ко второму полупроводниковому переключателю V2 второй соединительной клеммой 2 на первичной обмотке W1 трансформатора Т1.

В соответствии с изобретением теперь предусмотрена первая вспомогательная обмотка W3 трансформатора Т1, которая соединена последовательно между первым диодом D2 и первой соединительной клеммой 1 на первичной обмотке W1 трансформатора Т1. Кроме того, предусмотрена вторая вспомогательная обмотка W4 трансформатора Т1, которая соединена последовательно между вторым диодом D3 и второй соединительной клеммой 2 на первичной обмотке W1 трансформатора Т1.

Полупроводниковые переключатели V1 и V2 переключаются вновь (приближенно) одновременно. Во время фазы включения полупроводниковых переключателей V1 и V2 процесс протекания тока осуществляется через токовый контур, состоящий из полупроводникового переключателя V1, первичной обмотки W1 и полупроводникового переключателя V2, как в случае известного уровня техники. Ток нарастает соответственно имеющемуся возбуждающему напряжению и импедансу трансформатора Т1. В момент выключения полупроводниковых переключателей V1 и V2 индуктивность в упомянутом токовом контуре, который не связан с вторичной обмоткой W2 трансформатора Т1, продолжает возбуждать ток и приводит к быстрому нарастанию напряжения на первичной обмотке W1. Вспомогательные обмотки W3 и W4 трансформатора Т1 хорошо связаны с первичной обмоткой W1. Вследствие этого напряжение на вспомогательных обмотках W3 и W4 нарастает согласно соотношению соответствующих коэффициентов трансформации.

Как только сумма напряжений на вспомогательной обмотке W1, вспомогательной обмотке W2 и вспомогательной обмотке W3, уменьшенная на оба порога диодов D2 и D3, достигает высоты напряжения промежуточного контура, диоды D2 и D3 становятся проводящими. Тем самым дальнейшее нарастание напряжения ограничивается. В этот момент высота нагрузки полупроводникового переключателя V1 соответствует сумме напряжения промежуточного контура и порога диода D2 за вычетом мгновенного напряжения на вспомогательной обмотке W3.

Посредством последовательного включения соответственно вспомогательной обмотки W3 и W4 с диодами D2 и D3 максимальная нагрузка по напряжению на полупроводниковых переключателях V1 и V2 снижается. Тем самым могут использоваться компоненты с более низкой прочностью по напряжению. Компоненты такого рода являются, естественно, более дешевыми или имеют другие релевантные преимущества, такие как более низкое сопротивление проводимости или меньшие конструктивные формы.

Переключающее устройство для разгрузки двух последовательно включенных полупроводниковых переключателей (V1 и V2), которые соединены с напряжением питания (V_in) и между которыми включена первичная обмотка (W1) трансформатора (Т1). Кроме того, первый диод (D2) со стороны анода соединен с потенциалом напряжения питания (V_in) на выводе истока второго полупроводникового переключателя (V2), а со стороны катода - с обращенной к первому полупроводниковому переключателю (V1) первой соединительной клеммой (1) на первичной обмотке (W1). Второй диод (D3) со стороны катода соединен с потенциалом напряжения питания (V_in) на выводе стока первого полупроводникового переключателя (V1), а со стороны анода - с обращенной ко второму полупроводниковому переключателю (V2) второй соединительной клеммой (2) на первичной обмотке (W1). В соответствии с изобретением предусмотрена первая вспомогательная обмотка (W3) трансформатора (Т1), включенная последовательно между первым диодом (D2) и первой соединительной клеммой (1), и вторая вспомогательная обмотка (W4), включенная последовательно между вторым диодом (D3) и второй соединительной клеммой (2). Технический результат - упрощение, снижение затрат. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Переключающее устройство для разгрузки полупроводниковых переключателей (V1, V2) в схемах согласующего трансформатора с первичной стороной и вторичной стороной, которые на первичной стороне имеют первый полупроводниковый переключатель (V1) и последовательно включенный второй полупроводниковый переключатель (V2), причем вывод стока первого полупроводникового переключателя (V1) соединен с первым выводом напряжения питания (V_in), и вывод истока второго полупроводникового переключателя (V2) соединен со вторым выводом напряжения питания (V_in), и между выводом истока первого полупроводникового переключателя (V1) и выводом стока второго полупроводникового переключателя (V2) включена первичная обмотка (W1) трансформатора (Т1), вторичная обмотка (W2) которого соединена с нагрузкой (L1) вторичной стороны, и предусмотрен первый диод (D2), который со стороны анода соединен с потенциалом напряжения питания (V_in) на выводе истока второго полупроводникового переключателя (V2), а со стороны катода - с обращенной к первому полупроводниковому переключателю (V1) первой соединительной клеммой (1) на первичной обмотке (W1) трансформатора (Т1), а также предусмотрен второй диод (D3), который со стороны катода соединен с потенциалом напряжения питания (V_in) на выводе стока первого полупроводникового переключателя (V1), а со стороны анода - с обращенной ко второму полупроводниковому переключателю (V2) второй соединительной клеммой (2) на первичной обмотке (W1) трансформатора (Т1), отличающееся тем, что предусмотрена первая вспомогательная обмотка (W3) трансформатора (Т1) с направлением обмотки, противоположным первичной обмотке (W1), включенная последовательно между первым диодом (D2) и первой соединительной клеммой (1) на первичной обмотке (W1) трансформатора (Т1), и вторая вспомогательная обмотка (W4) трансформатора (Т1) с направлением обмотки, противоположным первичной обмотке (W1), включенная последовательно между вторым диодом (D3) и второй соединительной клеммой (2) на первичной обмотке (W1) трансформатора (Т1).

2. Часть переключательной схемы с переключающим устройством по п.1.