СХЕМА ПОДАЧИ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2022 года по МПК G06F1/26 H03K17/06 H02M3/335 

Настоящее изобретение относится к схеме подачи напряжения для обеспечения питанием по меньшей мере одного и предпочтительно множества потребителей электроэнергии. Такой потребитель может представлять собой, например, устройство управления, зарядное устройство, электронный балластный блок или т.п.

Схемы подачи напряжения для обеспечения питанием указанных потребителей известны из практики, причем по меньшей мере один из потребителей может быть активирован и деактивирован и при этом схема подачи напряжения имеет подключение напряжения для подключения сетевого напряжения. Фильтрующее устройство и выпрямитель расположены ниже по потоку от подключения напряжения. Различным потребителям и на различные схемы подают выпрямленное напряжение, и их развязывают относительно друг друга с помощью развязывающих диодов, причем выпрямленное напряжение могут подавать соответствующим потребителям посредством развязывающих диодов.

Напряжение питания может характеризоваться специфическими для конкретной страны значениями напряжения и частоты, такими как, например, 110 В, 230 В, 60 Гц, 50 Гц и т.п. Фильтрующее устройство предотвращает нежелательные электрические или электромагнитные воздействия, которые могут нарушить функционирование потребителей или других устройств. Кроме того, фильтрующее устройство может отфильтровывать естественные или технические помехи от внешних источников помех, причем это справедливо как для динамических, так и для статических помех.

Задачей настоящего изобретения является усовершенствование схемы подачи напряжения, относящейся к типу, который описан во введении, таким образом, чтобы ее можно было использовать не только для обеспечения питанием при повышенных напряжениях, но и для переключения, с применением простой и компактной конструкции для соответствующих потребителей в виде электронных балластных блоков, устройств управления, зарядных устройств или т.п.

Эту задачу позволяют решить признаки, изложенные в п. 1 формулы изобретения.

Объект настоящего изобретения отличается, в частности, тем, что по меньшей мере один первый потребитель электроэнергии связан с преобразователем с непрямой передачей энергии, который генерирует напряжение переключения, которое выше напряжения питания, при переключении трансформатора преобразователя с непрямой передачей энергии. Кроме того, указанное напряжение переключения подают посредством по меньшей мере одного N-МОП-транзистора (полевого транзистора со структурой «метал-оксид-полупроводник» с n-каналом), расположенного со стороны входного питания относительно второго потребителя, для его активации/деактивации.

Из практики уже известны балластные блоки с p-канальным МОП-транзистором. Однако такой p-канальный МОП-транзистор, как правило, является более дорогим в случае применения выпрямленного напряжения питания, чем соответствующий n-канальный МОП-транзистор, рассчитанный на такое же напряжение или такой же ток. Кроме того, в случае применения p-канального МОП-транзистора сопротивление канала сток-исток в активированном состоянии значительно выше, чем для n-канального МОП-транзистора, так что тепловые потери, соответственно, являются высокими. Например, при использовании p-канального МОП-транзистора с приблизительно таким же сопротивлением канала сток-исток, как и у n-канального МОП-транзистора, для удовлетворения требований в отношении рассеивания тепла он должен иметь значительно более массивную конструкцию. Практика показывает, например, что p-канальный МОП-транзистор занимает приблизительно в четыре раза больше пространства, чем эквивалентный n-канальный МОП-транзистор.

Такое применение теперь не является обязательным в соответствии с настоящим изобретением, поскольку на соответствующий n-канальный МОП-транзистор напряжение переключения подают от преобразователя с непрямой передачей энергии первого потребителя.

Указанная конструкция может быть использована для всех сетевых напряжений, имеющих специфичные для конкретной страны значения напряжения или специфичные для конкретной страны значения частоты напряжения.

Для предотвращения возникновения в фильтрующем устройстве напряжений помехи простым способом фильтрующее устройство может содержать конденсатор для подавления помех, в частности конденсатор типа Y. Соответствующие конденсаторы для устранения радиопомех определены в классах X и Y в зависимости от профиля требований. Конденсаторы класса Y в соответствии с IEC 60384-1 представляют собой конденсаторы, которые подключают между фазовым или нейтральным проводником и корпусом устройства, которого можно касаться и который имеет защитное заземление, и, таким образом, они шунтируют главную изоляцию. Нейтральный проводник соответствует защитному проводнику PE, например, используемого в промышленности штепсельного разъема для подключения сетевого напряжения к схеме подачи напряжения.

Соответствующий преобразователь с непрямой передачей энергии (двухпозиционное установочное устройство) представляет собой специальную конструкцию преобразователей «постоянный ток/постоянный ток». Его используют для передачи электрической энергии между входной стороной и выходной стороной гальванически развязанных напряжений постоянного тока. В соответствии с настоящим изобретением соответствующее переключающее устройство преобразователя с непрямой передачей энергии представляет собой компонент из группы, состоящей из биполярного транзистора, МОП-транзистора или ИС (интегральной схемы) преобразователя с непрямой передачей энергии. Преобразователь с непрямой передачей энергии имеет соответствующую фазу блокирования и соответствующую фазу проводимости.

В этом контексте, в частности, предпочтительно, чтобы изменение полярности трансформатора преобразователя с непрямой передачей энергии с повышением напряжения на выводе компонента происходило при деактивации переключающего блока. В обычных компонентах напряжение может составлять несколько сот вольт и, например, 600 В, 700 В или 800 В.

В соответствии с настоящим изобретением указанное напряжение обеспечивает требуемое напряжение затвора для N-МОП-транзистора, который расположен со стороны входного питания относительно второго или также дополнительного потребителя. В случае применения транзистора в качестве соответствующего компонента вывод компонента может представлять собой вывод стока. В биполярном транзисторе соответствующий вывод компонента представляет собой вывод коллектора.

При необходимости понизить значение напряжения вывод компонента или вывод стока транзистора преобразователя с непрямой передачей энергии может быть подключен к демпфирующей схеме для понижения напряжения. Это позволяет предотвратить достижение чрезмерного напряжения, а соответствующее повышение напряжения по отношению к напряжению питания затем используют для активации N-МОП-транзистора в дополнительной схеме.

В этом контексте также может быть предпочтительным встроить демпфирующую схему в преобразователь с непрямой передачей энергии и при подаче соответствующего напряжения на N-МОП-транзистор подключать его к выводу затвора для его активации.

Соответствующий потребитель, связанный с N-МОП-транзистором, может представлять собой, например, электронный балластный блок.

Демпфирующая схема может содержать, например, два параллельно соединенных резистора с конденсатором, подключенным последовательно с указанными резисторами.

Другими словами, преобразователь с непрямой передачей энергии или его переключающий блок в сочетании с трансформатором преобразователя с непрямой передачей энергии генерирует соответствующее напряжение затвора для N-МОП-транзистора, которое затем используют для активации N-МОП-транзистора.

При необходимости ограничения соответствующего тока затвора со стороны входного питания относительно вывода затвора может быть установлен ограничительный резистор. Другими словами, его устанавливают между демпфирующей схемой и выводом затвора. Кроме того, может оказаться предпочтительным обеспечить развязку соответствующего напряжения на затворе относительно напряжения стока переключающего блока преобразователя с непрямой передачей энергии, для чего, например, развязывающий диод подключают между ограничительным резистором и выводом затвора.

Для обеспечения достаточного количества энергии для легкой активации N-МОП-транзистора между выводом истока и выводом затвора N-МОП-транзистора также может быть подключен по меньшей мере один конденсатор для накопления энергии.

Чтобы не допустить превышения максимального напряжения затвора, между выводами истока и стока параллельно с конденсатором для накопления энергии может быть подключен ограничительный диод.

Для обеспечения возможности повторной деактивации N-МОП-транзистора между выводами затвора и истока может быть обеспечено устройство для создания короткого замыкания. Примером такого устройства для создания короткого замыкания является оптопара, которую можно переключать с помощью интегральной схемы или микроконтроллера. Соответствующая интегральная схема также может управлять различными состояниями балластного блока, такими как аварийное освещение или т.п.

Кроме того, для обеспечения возможности соответствующего ограничения тока при деактивации между выводом затвора и конденсатором для накопления энергии может быть подключен токоограничивающий резистор.

Конечно, существует возможность того, что переключение дополнительных потребителей также будет осуществлено путем указанного переключения с помощью N-МОП-транзистора и связанных с ним компонентов. В этом случае несколько потребителей будут соответствующим образом подключены к N-МОП-транзистору. Кроме того, каждый дополнительный потребитель может иметь соответствующий N-МОП-транзистор и устройство для создания короткого замыкания, такое как оптопара или т.п. Благодаря этому каждого потребителя можно переключать по отдельности, причем это также можно осуществлять, например, с помощью множества обычных микроконтроллеров или интегральных схем.

Кроме того, может быть предпочтительным, чтобы устройство для ограничения тока при включении, выполненное с возможностью ограничения тока при включении, было связано с преобразователем с непрямой передачей энергии или чтобы преобразователь с непрямой передачей энергии содержал указанное устройство. В простейшем случае преобразователь с непрямой передачей энергии состоит из конденсатора и резистора.

Ниже более подробно описан предпочтительный пример осуществления со ссылкой на фигуру, представленную в графическом материале,

где:

на фиг. 1 представлено схематическое изображение схемы подачи напряжения в соответствии с настоящим изобретением с тремя потребителями.

На фиг. 1 показан пример осуществления схемы 1 подачи напряжения в соответствии с настоящим изобретением для подачи напряжения и для переключения соответствующих потребителей 2, 3, 4 и 32. Схема 1 подачи напряжения содержит подключение 5 напряжения к напряжению питания, которое в представленном примере осуществления содержит выводы для, соответственно, защитного проводника 15, линейного проводника 33 и нейтрального проводника 34. Напряжение питания или сетевое напряжение подают на фильтрующее устройство 6 через соответствующее подключение 5 напряжения. Часть фильтрующего устройства может представлять собой конденсатор для подавления помех и, в частности, конденсатор 14 типа Y, который выделяет напряжение помехи на защитном проводнике 15.

Далее к фильтрующему устройству подключен выпрямитель 7. В указанном выпрямителе напряжение переменного тока преобразуют в напряжение постоянного тока и затем передают различным потребителям 2, 3, 4 или также 32 в соответствующих ответвлениях схемы подачи напряжения. Развязывающий диод 8, 9 и 10, соответственно, в каждом случае расположен между выпрямителем и различными ответвлениями.

В первом ответвлении, см. подачу питания через развязывающий диод 8, установлен преобразователь 11 с непрямой передачей энергии, который питает потребителя 2 в виде контроллера, зарядного устройства или т.п. Преобразователь с непрямой передачей энергии по существу образует источник питания с частотно-импульсным преобразованием для соответствующего потребителя и имеет в качестве переключающего устройства 12 компонент 16 в виде биполярного транзистора, транзистора со структурой металл-оксид-полупроводник (МОП-транзистора) или интегральной схемы для специфических вариантов применения преобразователя с непрямой передачей энергии. Преобразователь с непрямой передачей энергии соответствующим образом переключают с помощью переключающего устройства 12, причем полярность соответствующего трансформатора 17 преобразователя с непрямой передачей энергии изменяется, когда переключающее устройство 12 деактивируют и, в результате этого, напряжение на выводе 19 стока переключающего устройства 12 в виде транзистора возрастает. Это высокое напряжение уменьшают с помощью расположенной со стороны потребителя демпфирующей схемы 20.

Указанная демпфирующая схема также может упоминаться как демпфирующее устройство, поскольку высокочастотные помехи или скачки напряжения нейтрализуют с помощью такой электрической схемы. Указанные скачки напряжения обычно возникают при переключении индуктивных нагрузок при внезапном прерывании протекания тока. В показанном примере демпфирующая схема 20 представляет собой резистивно-емкостный (RC) демпфирующий элемент, состоящий из последовательной схемы конденсатора с резистором и дополнительного резистора, соединенного параллельно с указанными двумя элементами.

Демпфирующая схема 20 уменьшает высокое напряжение от переключающего устройства 12 до значения, которое все еще выше, чем соответствующее значение сетевого напряжения. Например, напряжение может все еще составлять несколько сотен вольт, например, 600 В, 700 В или 800 В.

В случае наличия еще одного второго потребителя 3 соответствующее напряжение подают через демпфирующую схему 20 на N-МОП-транзистор 13. Указанный потребитель 3 подключен к выпрямителю 7 через развязывающий диод 9. N-МОП-транзистор 13 расположен между развязывающим диодом 9 и потребителем 3. Соответствующий вывод 26 стока связан с развязывающим диодом 9, соответствующий вывод 25 истока связан с потребителем 3, а вывод 21 затвора связан с демпфирующей схемой 20. Второй потребитель 3 представляет собой, например, электронный балластный блок, который может быть активирован с помощью N-МОП-транзистора 13. Соответствующее напряжение затвора подают от преобразователя 11 с непрямой передачей энергии через демпфирующую схему 20 на вывод 21 затвора.

Для ограничения соответствующего тока затвора применен ограничительный резистор 22 со стороны входного питания относительно вывода 10 затвора, а также развязывающий диод 23, который обеспечивает соответствующее напряжение, подлежащее развязыванию относительно напряжения стока.

Также обеспечен конденсатор 24 для накопления энергии, аккумулирующий достаточное количество энергии для активации N-МОП-транзистора 13. Кроме того, максимальное напряжение затвора обеспечивают с помощью ограничительного диода 27.

Кроме того, токоограничивающий резистор 30, ограничивающий соответствующий ток, последовательно соединен с конденсатором 24 для накопления энергии.

Для обеспечения возможности повторной деактивации N-МОП-транзистора между выводом 21 затвора и выводом 25 истока N-МОП-транзистора 13 обеспечено устройство 28 для создания короткого замыкания. Оно может представлять собой, например, оптопару, переключаемую с помощью интегральной схемы. Устройство 28 для создания короткого замыкания и оптопара 29 схематически показаны на фиг. 1.

Что касается интегральной схемы, следует отметить, что она может переключать не только оптопару, но и, возможно, различные состояния балластного блока, такие как аварийное освещение, или т.п. В этом случае, в частности, предусмотрен токоограничивающий резистор 30, ограничивающий возникающие токи.

В соответствии с настоящим изобретением возможно, что осуществляют переключение не только одного потребителя 3, как описано выше, но к N-МОП-транзистору 13 подключен еще один потребитель 32. Кроме того, переключение потребителя 4 также можно осуществлять соответствующим образом или он может содержать в своем ответвлении соответствующий N-МОП-транзистор с дополнительными связанными компонентами, а именно ограничительным резистором 22, развязывающим диодом 23, конденсатором 24 для накопления энергии или ограничительным диодом 27, а также устройством 28 для создания короткого замыкания.

В этом контексте можно управлять всеми оптопарами, например, с помощью интегральной схемы, или с помощью отдельных интегральных схем или микроконтроллера.

Для предотвращения протекания чрезмерных токов в преобразователе 11 с непрямой передачей энергии при включении сетевого напряжения к нему также может быть подключено или в нем может содержаться устройство 31 для ограничения тока при включении. Указанное устройство для ограничения тока предпочтительно содержит резистор и конденсатор.

В настоящем изобретении предложена схема подачи напряжения, которая даже при высоких напряжениях не требует большого пространства и может быть безопасно и быстро использована для подачи напряжения и переключения соответствующих потребителей. В этом случае один из потребителей связан с преобразователем с непрямой передачей энергии, из которого напряжение, превышающее сетевое напряжение, используют для переключения N-МОП-транзистора дополнительного потребителя.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к схемам подачи напряжения для обеспечения питанием потребителей. Технический результат заключается в усовершенствовании схемы подачи напряжения. Достигается тем, что схема подачи напряжения для обеспечения питанием по меньшей мере двух потребителей, причем один потребитель может быть активирован и деактивирован, с подключением напряжения к сетевому напряжению, причем со стороны потребителя относительно него имеются фильтрующее устройство и выпрямитель. Каждому потребителю может быть подано выпрямленное напряжение посредством развязывающих диодов, а один преобразователь с непрямой передачей энергии связан с одним потребителем. Указанный преобразователь с непрямой передачей энергии генерирует с помощью переключающего устройства, в частности при переключении трансформатора преобразователя с непрямой передачей энергии, напряжение переключения, которое выше напряжения питания, причем указанное напряжение переключения может быть подано второму потребителю посредством по меньшей мере одного N-МОП-транзистора для активации/деактивации. 19 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Схема (1) подачи напряжения для обеспечения питанием по меньшей мере двух потребителей (2, 3, 4), из которых один потребитель (2, 3) может быть активирован и деактивирован, причем схема (1) подачи напряжения имеет подключение (5) напряжения для подключения к сетевому напряжению, причем со стороны потребителя относительно него имеются фильтрующее устройство (6) и выпрямитель (7), причем выпрямленное напряжение может быть подано соответствующим потребителям (2, 3) через развязывающие диоды (8, 9), а один преобразователь (11) с непрямой передачей энергии связан с одним потребителем (2), причем указанный преобразователь с непрямой передачей энергии генерирует с помощью переключающего устройства (12), в частности при переключении трансформатора (17) преобразователя с непрямой передачей энергии, напряжение переключения, которое выше напряжения питания, причем напряжение переключения может быть подано второму потребителю (3) посредством по меньшей мере одного N-МОП-транзистора (13) для активации/деактивации.

2. Схема подачи напряжения по п. 1, в которой дополнительный непереключаемый потребитель (4) подключен посредством развязывающего диода (10).

3. Схема подачи напряжения по п. 1 или 2, в которой фильтрующее устройство (6) содержит по меньшей мере один конденсатор (14), в частности конденсатор типа Y, в качестве конденсатора для устранения помех, который предпочтительно соединен с защитным проводником (15) подключения (5) напряжения.

4. Схема подачи напряжения по одному из предшествующих пунктов, в которой переключающее устройство (12) преобразователя (11) с непрямой передачей энергии представляет собой компонент (16) из группы, состоящей из биполярного транзистора, N-МОП-транзистора или интегральной схемы преобразователя с непрямой передачей энергии.

5. Схема подачи напряжения по одному из предшествующих пунктов, в которой изменение полярности трансформатора преобразователя с непрямой передачей энергии с повышением напряжения на выводе (18) компонента происходит при деактивации переключающего устройства (12).

6. Схема подачи напряжения по одному из предшествующих пунктов, в которой вывод (18) компонента представляет собой, в частности, вывод (19) стока в случае применения транзистора в качестве компонента (16).

7. Схема подачи напряжения по одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что вывод (19) стока подключен к демпфирующей схеме (20) для понижения напряжения.

8. Схема подачи напряжения по одному из предшествующих пунктов, в которой демпфирующая схема (20) подключена к выводу (21) затвора N-МОП-транзистора (13) для его активации.

9. Схема подачи напряжения по одному из предшествующих пунктов, в которой демпфирующая схема (20) встроена в преобразователь (11) с непрямой передачей энергии.

10. Схема подачи напряжения по одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что ограничительный резистор (22) для ограничения тока затвора расположен со стороны входного питания относительно вывода (21) затвора.

11. Схема подачи напряжения по одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что развязывающий диод (23) подключен между ограничительным резистором (22) и выводом (21) затвора.

12. Схема подачи напряжения по одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что по меньшей мере один конденсатор (24) для накопления энергии подключен между выводом (25) истока и выводом (21) затвора N-МОП-транзистора (13).

13. Схема подачи напряжения по одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что ограничительный диод (27) подключен между выводами (25, 26) истока и стока N-МОП-транзистора (13) параллельно с конденсатором (24) для накопления энергии.

14. Схема подачи напряжения по одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что устройство (28) для создания короткого замыкания для деактивации N-МОП-транзистора (13) подключено между выводами (21, 25) затвора и истока.

15. Схема подачи напряжения по одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что устройство (28) для создания короткого замыкания представляет собой оптопару (29), которую можно переключать, в частности, с помощью интегральной схемы (IC) или микроконтроллера.

16. Схема подачи напряжения по одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что с помощью интегральной схемы можно переключать различные состояния второго потребителя (3).

17. Схема подачи напряжения по одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что токоограничивающий резистор (30) подключен между выводом (21) затвора и конденсатором (24) для накопления энергии.

18. Схема подачи напряжения по одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что преобразователь (11) с непрямой передачей энергии содержит устройство (31) для ограничения тока при включении, выполненное с возможностью ограничения тока при включении.

19. Схема подачи напряжения по одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что по меньшей мере один дополнительный потребитель (32) подключен к N-МОП-транзистору (13) для выполнения его переключения.

20. Схема подачи напряжения по одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что N-МОП-транзистор (13) и оптопара (29) связаны с каждым дополнительным потребителем (4).