ЭЛЕКТРОННАЯ СХЕМА И СПОСОБ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОННОЙ СХЕМЫ Российский патент 2018 года по МПК H03K3/00 H02H9/00 

[01] Настоящее изобретение относится к электронной схеме в соответствии с отличительной частью пункта 1 формулы изобретения и способу работы электронной схемы в соответствии с пунктом 17 формулы изобретения.

[02] Электронные схемы содержат, помимо прочего, преобразователи частоты, которые используются в электромеханических приводных системах для формирования из переменного тока (AC) переменного тока с изменяющейся частотой и амплитудой для непосредственного питания электрических машин, например трехфазных двигателей.

[03] Хотя в уровне техники известны также другие конфигурации, такие преобразователи частоты обычно состоят их входной цепи для выпрямления переменного тока сети, промежуточной цепи и силовой цепи, содержащей полупроводниковые ключи, которые формируют электропитание с требуемой частотой и амплитудой.

[04] Кроме того, в таких преобразователях частоты используется конденсатор, который фактически представляет собой аккумулятор электроэнергии и который соединен дальше по ходу по отношению к выпрямителю. Известно также, что в уровне техники предусмотрен ограничитель напряжения в промежуточной цепи, причем чем выше напряжение, приложенное к электронной схеме, тем ниже будет ее сопротивление. Однако такой ограничитель напряжения эффективен только при высоких напряжениях, превышающих 450 В, и его скорость реакции довольно низкая.

[05] Кроме того, известно, что в уровне техники ток в промежуточной цепи ограничивают до заданного максимального предела пускового тока, когда конденсатор промежуточной цепи заряжается. Это обычно осуществляется посредством резистора, обладающего высоким сопротивлением. Вследствие потерь, вызываемых использованием вышеупомянутого резистора с высоким сопротивлением, последний приводят в действие только в том случае, когда он действительно требуется. В иных случаях он всегда короткозамкнутый. Короткое замыкание осуществляется посредством электронного переключающего элемента, причем упомянутый переключающий элемент предпочтительно может представлять собой полупроводниковое устройство с затвором на основе нитрида галлия или кремния с преимущественно резистивной характеристикой в открытом состоянии, например полевой МОП-транзистор (MOSFET), который замыкает резистор накоротко в зависимости от тока.

[06] Однако большинство MOSFET, несмотря на то, что они довольно дешевые, способны работать в линейном режиме в течение короткого периода времени. Поэтому напряжение на переключающем элементе необходимо измерять. Если напряжение поднимается выше некоторой пороговой величины напряжения, то переключающий элемент необходимо открыть для защиты переключающего элемента.

[07] Таким образом, задача настоящего изобретения состоит в создании электронной схемы и соответствующего способа работы электронной схемы, в соответствии с которым работа электронного переключающего элемента в линейном режиме уменьшается до минимального периода времени.

[08] Данная задача решается посредством электронной схемы, содержащей признаки по пункту 1 формулы изобретения, и способа работы электронной схемы, содержащего признаки по пункту 17 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения определены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения.

[09] В соответствии с настоящим изобретением, описана электронная схема, в частности схема постоянного тока, имеющая уровень напряжения постоянного тока на стороне высокого напряжения, вход и выход, причем упомянутая электронная схема содержит конденсатор постоянного тока, пусковую цепь для ограничения входного тока до заданного уровня, причем упомянутая пусковая цепь соединена между линией электропитания конденсатора постоянного тока и упомянутым входом, причем упомянутая пусковая цепь содержит зарядный резисторный элемент, переключающий элемент, соединенный параллельно с упомянутым зарядным резисторным элементом, и средство управления для управления упомянутым переключающим элементом, причем упомянутое средство управления выполнено с возможностью включения переключающего элемента, когда входной ток падает ниже заданного уровня тока, причем упомянутое средство управления дополнительно содержит триггерный элемент управления, который выполнен с возможностью обнаружения дифференциального напряжения на переключающем элементе и выключения переключающего элемента, когда обнаруженное дифференциальное напряжение поднимается выше заданного порогового напряжения.

[10] Посредством конфигурации электронной схемы настоящего изобретения обеспечивается мгновенная реакция триггера, посредством чего электронный переключающий элемент выключается в течение всего лишь нескольких сотен наносекунд, тем самым предотвращая работу электронного переключающего элемента в линейном режиме дольше, чем требуется. Кроме того, схема настоящего изобретения уменьшает зарядный ток, протекающий в конденсатор постоянного тока, и это предохраняет выброс напряжения, прикладываемый к входным клеммам, от зарядки конденсатора постоянного тока. Таким образом, конденсатор постоянного тока и соединенные с ним электронные схемы предохранены от воздействия перенапряжения.

[11] Дополнительным преимуществом электронной схемы в соответствии с настоящим изобретением является то, что промежуточная цепь выполнена с возможностью масштабирования от нескольких ватт до нескольких сотен ватт, таким образом значительно увеличивая диапазон ее применения. Кроме того, промежуточная цепь электронной схемы в соответствии с настоящим изобретением имеет очень низкое энергопотребление, а также очень низкие потери энергии. Она работает автономно и не зависит от каких бы то ни было других схем управления.

[12] В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, пусковая цепь соединена с линией отрицательного питания конденсатора постоянного тока. Соединение пусковой цепи с линией отрицательного питания конденсатора постоянного тока позволяет использовать в упомянутой электронной схеме отдельные элементы, в частности транзисторы типа n-p-n, которые являются довольно дешевыми по сравнению, например, с другими транзисторами, например транзисторами типа p-n-p.

[13] В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления, вход пусковой цепи соединен с мостовым выпрямителем.

[14] Кроме того, упомянутая электронная схема может дополнительно содержать ограничитель напряжения.

[15] Упомянутое средство управления может быть реализовано в микроконтроллере как часть программного решения, но предпочтительно реализовано в виде схемы управления.

[16] В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления, упомянутая схема управления дополнительно содержит цепь контроля тока.

[17] Предпочтительно упомянутый триггерный элемент управления содержит триггерную цепь напряжения.

[18] Предпочтительно также, если упомянутый ограничитель напряжения представляет собой резистор, управляемый напряжением, который выполнен и расположен таким образом, чтобы предохранять мостовой выпрямитель и пусковую цепь и конденсатор постоянного тока от перенапряжения.

[19] Питание упомянутого переключающего элемента может осуществляться от упомянутого уровня напряжения постоянного тока на стороне высокого напряжения, и управляющий вход для переключающего элемента может быть ограничен заданным уровнем напряжения.

[20] В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления, упомянутая цепь контроля тока содержит первое сопротивление, второе сопротивление, третий резистор, первый транзистор и NTC-резистор.

[21] Кроме того, упомянутый триггерный элемент управления может содержать четвертое сопротивление, пятое сопротивление и второй транзистор.

[22] Упомянутый переключающий элемент может представлять собой третий транзистор.

[23] Предпочтительно, упомянутый переключающий элемент представляет собой MOSFET и выполнен с возможностью работы в линейном режиме, и при этом упомянутый триггерный элемент управления выполнен с возможностью выключения упомянутого переключающего элемента, если напряжение сток-исток MOSFET превышает заданный предел напряжения.

[24] Кроме того, упомянутая цепь контроля тока может быть выполнена с возможностью снижения напряжения на затворе в переключающем элементе, который в этом случае будет работать в линейном режиме.

[25] В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления, второе сопротивление и NTC-резистор работают так, чтобы осуществлять температурную компенсацию порогового напряжения база-эмиттер первого транзистора.

[26] В соответствии с другим вариантом осуществления, второй транзистор выполнен с возможностью контроля напряжения сток-исток третьего транзистора, и при этом второй транзистор выполнен с возможностью включения и снижения напряжения на затворе третьего транзистора, если напряжение на четвертом сопротивлении превышает пороговую величину база-эмиттер второго транзистора.

[27] Кроме того, в соответствии с изобретением описан способ работы электронной схемы, в котором управление переключающим элементом осуществляется так, чтобы он выключался, если упомянутый триггерный элемент управления обнаруживает на полупроводниковом переключателе дифференциальное напряжение, которое поднялось выше заданного порогового напряжения. Упомянутый способ работы электронной схемы в соответствии с изобретением обеспечивает преимущества, описанные выше в связи с электронной схемой настоящего изобретения, в частности, он позволяет электронному переключателю выключаться в течение очень короткого времени, а именно в течение всего лишь нескольких сотен наносекунд.

[28] Дополнительные подробности и признаки изобретения, а также конкретные варианты осуществления изобретения могут быть установлены из приведенного ниже описания вместе с чертежами, из которых:

[29] Фиг.1 показывает блок-схему электронной схемы в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления; и фиг.2 показывает принципиальную схему электронной схемы, показанной на фиг.1.

[30] Фиг.1 показывает блок-схему электронной схемы 1 в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, которая в данном случае выполнена в виде схемы постоянного тока. Как можно видеть, электронная схема 1 в основном содержит три основных блока: мостовой выпрямитель 2 для преобразования входа переменного тока (АС) в выход постоянного тока (DC) с двухполупериодным выпрямлением, промежуточную или пусковую цепь 3 и силовую цепь, содержащую конденсатор 4 постоянного тока и соединенные электронные цепи нагрузки, в данном случае дополнительно не показанные.

[31] Кроме того, пусковая цепь 3, которая соединена между мостовым выпрямителем 2 и конденсатором 4 постоянного тока, содержит ограничитель напряжения в виде варистора 5 (резистора, управляемого напряжением (VDR) для ограничения входного тока до заданного уровня). Кроме того, в пусковой цепи 3 содержатся электронный ключ 9 в качестве переключающего элемента, в данном случае MOSFET, зарядная цепь 10 в качестве зарядного резисторного элемента, цепь 7 контроля тока и триггерная цепь 8 напряжения в качестве средства управления для управления упомянутым переключающим элементом, которые будут более подробно описаны ниже со ссылкой на фиг.2. Все элементы пусковой цепи 3 в показанном здесь примере соединены с линией 6ʺ отрицательного питания конденсатора 4 постоянного тока. Преимущество этого заключается в том, что могут быть использованы отдельные элементы, в частности транзисторы n-p-n типа, которые являются менее дорогими по сравнению, например, с транзисторами p-n-p типа, которые нужно было бы использовать в противном случае, если бы вышеупомянутые элементы были соединены с линией 6ʹ положительного питания. Тем не менее, при необходимости вышеупомянутые элементы пусковой цепи 3 могут быть использованы в линии 6ʹ положительного питания.

[32] Фиг.2 показывает принципиальную схему электронной схемы 1, показанной на фиг.1. Как можно видеть, на входной стороне расположен мостовой выпрямитель 2, соединенный с пусковой цепью 3, а на выходной стороне электронной схемы 1 - конденсатор 4 постоянного тока. Ограничитель напряжения, а именно VDR 5, соединен между линией 6 питания конденсатора 4 постоянного тока и входом электронной схемы 1, для того чтобы предохранять от перенапряжения как соединенный впереди мостовой выпрямитель 2, так и последующие цепи, и, в частности, конденсатор постоянного тока 4.

[33] Дальше по ходу по отношению к VDR 5, в линии 6ʺ отрицательного питания дополнительно соединена цепь 7 контроля тока, триггерная цепь 8 напряжения, электронный ключ 9, зарядная цепь 10, а также конденсатор 4 постоянного тока и выходная нагрузка 11, которые будут описаны ниже более подробно.

[34] Цепь 7 контроля тока содержит первый резистор R1, второй резистор R2, третий резистор R3, первый транзистор Q1 и резистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (NTC). Третий резистор R3 представляет собой шунтирующий резистор для измерения тока, протекающего через пусковую цепь 3. Триггерная цепь 8 напряжения содержит второй транзистор Q2, четвертый резистор R4 и пятый резистор R5. Электронный ключ 9 содержит третий транзистор Q3, шестой резистор R6 и диод Z1 Зенера, а зарядная цепь 10 содержит зарядный резистор Rc.

[35] Пусковая цепь 3 функционирует следующим образом. Ток, проходящий через резистор R6, будет начинать открывать третий транзистор Q3. В это же время входное напряжение начинает заряжать конденсатор 4 через зарядный резистор Rc и выключенный транзистор Q3. Ток, проходящий через конденсатор 4, будет обеспечивать заданное напряжение на резисторе R3, которое затем будет вызывать напряжение на первом резисторе R1 и на первом транзисторе Q1. Когда напряжение база-эмиттер первого транзистора Q1 достигает заданной пороговой величины, ток сможет протекать через базу-эмиттер первого транзистора Q1, и последний будет выключаться. Коллектор первого транзистора Q1 будет снижать напряжение на затворе третьего транзистора Q3, и третий резистор R3 будет начинать выключаться, при этом он входит в линейный режим. Второй резистор R2 и NTC-резистор будут осуществлять температурную компенсацию порогового напряжения база-эмиттер первого транзистора Q1.

[36] Второй транзистор Q2 контролирует напряжение сток-исток третьего транзистора Q3, которое уменьшается посредством четвертого резистора R4 и пятого резистора R5. Второй транзистор Q2 будет начинать включаться, когда напряжение на четвертом резисторе R4 достигает порогового напряжения база-эмиттер второго транзистора Q2. Коллектор второго транзистора Q2 будет снижать напряжение на затворе третьего транзистора Q3. Таким образом, мгновенная реакция триггера будет запускать выключение третьего транзистора Q3 только в течение момента времени, а именно в течение нескольких сотен наносекунд. Тем самым триггерная цепь 8 напряжения предотвращает пребывание третьего транзистора Q3 в линейном режиме.

[37] Кроме того, третий транзистор Q3 представляет собой силовой переключатель, который всегда включён при нормальной работе электронной схемы 1. Однако когда электронная схема 1 включается, во время включения электропитания, третий транзистор Q3 будет выключаться посредством первого транзистора Q1, как было описано выше. Это выполняет функцию предохранения от выброса тока и предотвращения перенапряжения на входе переменного тока, например выброса напряжения. Затем шестой резистор R6 выдает ток положительного питания на затвор второго транзистора Q2, при этом диод Z1 Зенера будет ограничивать напряжение на затворе.

[38] Кроме того, зарядный резисторный элемент Rc, который отвечает за зарядку конденсатора 4 постоянного тока, будет заряжать последний только тогда, когда третий транзистор Q3 выключен.

[39] При нормальной работе данный транзистор будет полностью включён, когда ток через резистор R3 ниже заданного максимального предела пускового тока.

[40] Если пусковой импульс высокого напряжения приложен к входу во время нормальной работы, то пусковой импульс будет пытаться заряжать конденсатор 4 при пусковом импульсе высокого напряжения, ток через конденсатор 4 будет достигать максимального предела пускового тока, и, как было описано выше, транзистор Q3 будет выключаться. Тогда пусковой импульс высокого напряжения будет пытаться заряжать конденсатор 4 через резистор Rc. При этом зарядка конденсатора 4 будет занимать значительно больше времени по сравнению с тем, когда транзистор Q3 был включён. Это более продолжительное время зарядки будет давать ограничителю напряжения время для реагирования. Ограничитель напряжения будет удалять пусковой импульс высокого напряжения, и конденсатор 4 не будет заряжаться при пусковом импульсе высокого напряжения.

[41] Сочетание пускового тока и ограничителя напряжения будет гарантировать быструю реакцию на пусковой импульс высокого напряжения и предохранять выпрямительный мост и конденсатор 4 от повреждающего перенапряжения.

Перечень ссылочных позиций

1 электронная схема

2 мостовой выпрямитель

3 промежуточная или пусковая цепь

4 конденсатор постоянного тока

5 резистор, управляемый напряжением (VDR)

6 линия питания (6ʹ - линия положительного питания,

6ʺ - линия отрицательного питания)

7 цепь контроля тока

8 триггерная цепь напряжения

9 электронный ключ

10 зарядная цепь

11 выходная нагрузка

Q1 первый транзистор

Q2 второй транзистор

Q3 третий транзистор

R1 первый резистор

R2 второй резистор

R3 третий резистор

R4 четвертый резистор

R5 пятый резистор

R6 шестой резистор

Rc зарядный резистор

Z1 диод Зенера

Группа изобретений относится к электронной схеме постоянного тока для подачи питания на нагрузку и способу ее работы. Технический результат – обеспечение защиты электронной схемы за счет ограничения входного тока и защиты от чрезмерных напряжений. Для этого предложена электронная схема постоянного тока, которая содержит конденсатор постоянного тока, пусковую цепь для ограничения входного тока до заданного уровня, которая соединена между линией питания конденсатора постоянного тока и входом, причем пусковая цепь содержит зарядный резисторный элемент, переключающий элемент, соединенный параллельно с зарядным резисторным элементом, и средство управления переключающего элемента, причем средство управления выполнено с возможностью включения упомянутого переключающего элемента, когда входной ток падает ниже заданного уровня тока, причем средство управления содержит триггерный элемент, который выполнен с возможностью обнаружения дифференциального напряжения на переключающем элементе и выключения переключающего элемента, когда обнаруженное дифференциальное напряжение поднимается выше заданного порогового напряжения. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Электронная схема (1) постоянного тока для подачи питания на нагрузку, причем электронная схема (1) постоянного тока имеет уровень напряжения постоянного тока на стороне высокого напряжения, вход и выход, причем электронная схема (1) постоянного тока содержит конденсатор (4) постоянного тока, пусковую цепь (3) для ограничения входного тока до заданного уровня, причем пусковая цепь (3) соединена между линией (6) питания конденсатора (4) постоянного тока и упомянутым входом, причем пусковая цепь (3) содержит зарядный резисторный элемент (Rc), переключающий элемент (9), соединенный параллельно с зарядным резисторным элементом (R-заряд), и средство (7, 8) управления для управления переключающим элементом (9), причем упомянутое средство (7, 8) управления выполнено с возможностью включения переключающего элемента, когда входной ток падает ниже упомянутого заданного уровня тока, отличающаяся тем, что средство (7, 8) управления дополнительно содержит триггерный элемент (8) управления, который выполнен с возможностью обнаружения дифференциального напряжения на переключающем элементе (9) и выключения переключающего элемента (9), когда обнаруженное дифференциальное напряжение поднимается выше заданного порогового напряжения.

2. Электронная схема (1) постоянного тока по п.1, в которой пусковая цепь (3) выполнена с возможностью соединения с линией (6ʺ) отрицательного питания конденсатора (4) постоянного тока.

3. Электронная схема (1) постоянного тока по п.1 или 2, в которой вход пусковой цепи (3) соединен с мостовым выпрямителем (2).

4. Электронная схема (1) постоянного тока по п. 1 или 2, в которой электронная схема (1) дополнительно содержит ограничитель напряжения.

5. Электронная схема (1) постоянного тока по п. 1 или 2, в которой средство (7, 8) управления представляет собой схему управления.

6. Электронная схема (1) постоянного тока по п. 1 или 2, в которой упомянутая схема управления дополнительно содержит цепь (7) контроля тока.

7. Электронная схема (1) постоянного тока по п. 1 или 2, в которой триггерный элемент (8) управления содержит триггерную цепь напряжения.

8. Электронная схема (1) постоянного тока по п. 4, в которой упомянутый ограничитель напряжения представляет собой резистор (5), управляемый напряжением, который выполнен и расположен таким образом, чтобы предохранять от перенапряжения мостовой выпрямитель (2) и пусковую цепь (3), а также конденсатор (4) постоянного тока.

9. Электронная схема (1) постоянного тока по п. 1 или 2, в которой переключающий элемент (9) питается от уровня напряжения постоянного тока на стороне высокого напряжения и в которой управляющий вход для переключающего элемента (9) ограничен заданным уровнем напряжения.

10. Электронная схема (1) постоянного тока по п. 1 или 2, в которой цепь (7) контроля тока содержит первое сопротивление (R1), второе сопротивление (R2), третье сопротивление (R3), первый транзистор (Q1) и NTC-резистор.

11. Электронная схема (1) постоянного тока по п. 1 или 2, в которой триггерный элемент (8) управления содержит четвертое сопротивление (R4), пятое сопротивление (R5) и второй транзистор (Q2).

12. Электронная схема (1) постоянного тока по п. 1 или 2, в которой переключающий элемент (9) содержит третий транзистор (Q3).

13. Электронная схема (1) постоянного тока по п. 1 или 2, в которой переключающий элемент (9) представляет собой MOSFET и выполнен с возможностью работы в линейном режиме и в которой триггерный элемент (8) управления выполнен с возможностью выключения переключающего элемента (9), если напряжение сток-исток MOSFET превышает заданный предел напряжения.

14. Электронная схема (1) постоянного тока по п. 6, в которой цепь (7) контроля тока выполнена с возможностью снижения напряжения на затворе в переключающем элементе (9), который в этом случае будет работать в линейном режиме.

15. Электронная схема (1) постоянного тока по п. 10, в которой второе сопротивление (R2) и NTC-резистор работают таким образом, чтобы осуществлять температурную компенсацию порогового напряжения база-эмиттер первого транзистора (Q1).

16. Электронная схема (1) постоянного тока по п. 10, в которой второй транзистор (Q2) выполнен с возможностью контроля напряжения сток-исток третьего транзистора (Q3) и в котором второй транзистор (Q2) выполнен с возможностью включения и снижения напряжения на затворе третьего транзистора (Q3), если напряжение на четвертом сопротивлении (R4) превышает пороговую величину база-эмиттер второго транзистора (Q2).

17. Способ работы электронной схемы (1) постоянного тока по любому из пп. 1-16, в котором управление переключающим элементом (9) осуществляется таким образом, чтобы он выключался, если триггерный элемент (8) управления обнаруживает дифференциальное напряжение на полупроводниковом переключателе, которое поднялось выше заданного порогового напряжения.