Двухтактный транзисторный преобразователь постоянного напряжения Советский патент 1983 года по МПК H02M7/537 

Устройство относится к электротех нике и быть использовано во вторичных источниках электропитания систем радиоэлектроники и автоматики для преобразования постоянного тока Одного напряжения в постоянный или переменный ток другого напряжения. Известен преобразователь, содержащий ключевой усилитель мощности мо тового типа с выходным трансформатор И блок .возбуждения, выходы которого соединены с цепями управления ключей усилителя мощности через токоогранимительные резисторы. Для исключения сквозных токов, обусловленных одно временной-коммутацией транзисторных .ключей, в этом преобразователе испол зуются дополнительные обмотки выходного трансформатора, каждая из кото,рых через диод включена на входе ;транзисторных клюмей{ 1 3 Недостаток данного преобразовател состоит в том, что для устранения сквозных токов при бестрЗнсформаторном подключении нагрузки, наприме низкочастотных двигателей переменног тока, существенно возрастают масса и г абариты устсгойства вследствие необходимости введения вспомогательноТхэ ;трансформатора с обмотками и диодов по числу ключей. Положение усугубляется при повышенном напряжении питания преобразователя при наличии паузы на нуле в выходном прямоугольном напряжении, которую вводят для исключения третьей и других гармоник В этом случае необходимы по меньшей мере один дополнительный емкостной делитель напряжения питания на конденсаторах и высоковольтный вспомогательный трансформатор -для каждой стойки усилителя мощности, которые образуют два полумостовых инвертора. При этом значительно увеличивается масса и габариты-устройства. Кроме того, на низких частотах преобразова ния напряжение к.з. вспомогательных трансформаторов возрастает. Это снижает эффективность подавления сквоз ных токов и, следовательно, надеж- ность. Известен преобразователь, в котором открытое и закрытое состояние ключей оценивается не по состоянию выходной силовой цепи, а по состоянию маломощных цепей управления ключа, т.е. по величине и напр-авлению тока базы, мто позволяет снизить массу и 1 92 габариты устройства. Он содержит клю чевой усилитель мощности, связанный с цепями-управления транзисторными ключами через токоограничительные резисторы, и два вспомогательных четырехобмоточных трансформатора с диодами. Причем каждая из двух обмоток одного вспомогательного трансформатора с последовательно соединенными вентильным элементом шунтирует вход цепи управления ключем стойки и подсоединена к другой обмотке, которая вместе с обратно включенным вентильным элементом шунтируют токоограничительный резистор 02 , Недостаток указанного устройства заключается в малой эффективности подавления сквозного тока на низких частотах преобразования из-за наличия у вспомогательных трансформаторов индуктивности рассеивания. Ее влияние особенно проявляется при низкоомных нагрузках, какими являются базо-эмиттерные переходы транзисторных ключей в режиме насыщения и токоограничитель ные резисторы. Вследствие этого время нарастания выходного импульса вспомогательного трансформатора превышает время рассасывания неосновных носителей, что существенно снижает надежность устройства. Известен также преобразователь постоянного тока в переменный, который содержит усилитель мощности, выполненный на транзисторных ключах, управляемых несимметричными импульсами. В данном преобразователе с целью снижения динамических потерь от сквозных токов в транзисторных ключах применен насыщающийся трансфор.матор на сердечнике из материала с прямоугольной петлей Гистерезиса, вторичная обмотка которого, шунтированная диодом, включена последовательно с токо ограничивающими резисторами в цепь управления транзисторного ключа, а первичная обмотка включена на источник управляющих импульсов через ограничивающие сопротивленния СЗ . Наиболее близким к предлагаемому является двухтактный транзисторный Преобразователь постоянного напряжения, содержащий силовые транзисторы, подключающие источники постоянного напряжения к выходным выводам, при этом управляющие базо-эмиттерные переходы этих транзисторов, подсоединенные к блоку управления, зашунтированы силовыми цепями вспомогательных транзисторов, база каждого из. которых через резистор связана с коллектором соответствующего силового транзистораС.. Однако известному техническому решению присущи большие динамические потери при переключении силовых транзисторов. Цель изобретения - повышение КПД за смет уменьшения динамических потерь в переключающих транзисторах. Поставленная цель дост ается тем что в двухтактном транзисторном преобразователе постоянного напряи(ения, содержащем силовые транзисторы, переключающие источники постоянного напряжения к выходным выводам, при этом управляьощие базо-эмиттерные переходы этих транзисторов, подсоединенные к блоку управления, зашунтированы сило выми цепями вспомогательныхтранзисторов, база каждого из которых через резистор связана с коллектором соответствующего силового транзистора, в силовую цепь каждого из вспомогатель ных транзисторов последовательно вве дены источник запирающего силовые транзисторы сигнала и диод. Для снижения динамических потерь И несимметрии полуволн выходных напр жений преобразователя ь устройстве используется форсированное запирание ключей в начальный момент смены полярности напряжений возбуждения, фик сируемый введенным на каждый ключ каскадом формирования. Форсированное запирание ключей вызывает быстрый спад тока, который происходит при не высоких напряжениях - из-за задержки его нарастания, обусловленной : зарядо коллекторно-эмиттернои емкости насыщенного транзисторного ключа. При это существенно снижается величина импул сной мощности и время ее воздействия на ключ, что повышает надежность и КПД устройства. На фиг.1 представлена схема транзисторного преобразователя постоянного тока. Он содержит блок 1 управления, выходы которого соединены через токоограничительные резисторы 25 с цепями управления силовых трайзисторов 6-9 усилителя 10 мощности мостового типа. Напряжение питания (Ej ) подается на одну диагональ мост усилителя 10 мощности, а к другой диагонали моста подсоединена нагрузка 11. При индуктивном характере на169.4 грузки используются диоды 12-15, шунтирующие соответственно силовые транзисторы 6-9. Параллельно цепи управления каждого силового транзистора 6-3 включена последовательно цепь, содержащая диоды 16-19, источник 2023запирающего напряжения, и вспомогательные транзисторы , входящая 8 блокирующий узел 28-31. При этом коллектор каждого транзисторного ключа 6-9 соединен через токоограничивающий резистор 32-35 с базой соответствующего транзистора . Транзисторный поеобразователь постоянного тока функционирует следующим образом. Блок управления выдает двухполярные прямоугольные напряжения, поступающие на диагонально расположенные силовые транзисторы 6 и 9(7 и 8) в фазе и а ключи одной стойки 6и 7 (8 и 9) в прот1|вофазе. ПредполЪжим, что тран зисторы 6 и 9 открыты и проводят ток, а ключи 7 и 8 закрыты и не проводят ток. При смене полярности напряжений управления ранее открытый,транзистор 6(9) стойки 6-7 (8-9) по окончании рассасывания неосновных носителей запирается. Так как в течение времени рассасывания этот ключ 6(9) проводит ток,.то на другом транзисторном ключе 7(8) стойки 6-7(8-9) присутствует напряжение, примерно, равное напряжению питания Ef|. Под действием этого напряжения транзистор 25(26) блокирующего узла 22(ЗО) открыт током базы, задаваемым резистором 33 (3). В результате к управляющему переходу траАзисторного ключа 7(8) будет приложено запирающее напряжение от источника 21(22) через открытый транзистор 25(26). Ключи 6 и 9 могут запираться не одновременно вследствие разброса их параметров. Пусть первым закрыт ключ 6. По мере запирания ранее открытого транзисторного ключа 6 индуктивная нагрузка развивает ЭДС с полярностью указанной на чертеже в скобках ), под действием которой протекает ГОК через еще открытый ключ 9 и диод 13. При этом на транзисторном ключе 7 напряжение падает до величины прямого напряжения открытого диода 13, и базовый ток транзистора 25 спадает до нуля. Транзистор 25 запирается и транзисторный ключ 7 проводит ток. В случае, если первым запирается ключ 9| то под действием ЭДС индуктивной нагрузки возникает тек, протекающий через диод 1A - источник напряжения питания Ej -диод 13. Аналогично первому случаю напряжение на транзисторном ключе 7 снижается до величины пр ямого напряжения открытого диода 13 Базовый ток через транзистор 25 снижается до нуля, и включается транзисторный ключ 7. Подобным же образом происходит переключение при одновременном запирании ключей, Для получения на индуктивной нагрузке (двигателях ) паузы на нуле ключи одной стойки усилителя мощности возбуждаются прямоугольным двухполярнЫм напряжением, сдвинутым по фазе относительно прямоугольного двухпол рного напряжения возбуждения, подаваемого на другую стойку. Переключфние транзисторных ключей преобразовйтеля в этом случае происходит анало гйчно уже рассмотренному выше случаю синфазного возбуждения диагонально расположенных ключей и противофазного ключей стойки с учетом запаздывания при запирании одного из диагональных ключей. На фиг.2 представлен вариант конкретного выполнения узла блокировки г. (а1ючей преобразователя с сохранением пЬзиционных обозначений фиг.1. В нем прследовательная цепь блокирующего узла 28 дополнена каскадом 36 формирования импулБса, воздействующего на транзистор 24 с целью форсированного запирания ключа. Каскад Зб формирования импульса содержит транзистор 37 обратной полярности, коллектор которого соединен сбазой транзистора 2А, база - с источником 38 опорного напряжения, а эмиттер - с управляющим входом ключа 6, Базо-эмиттерный переход транзистора 37 обратной полярноети вместе с источником ЗВ опорного на пряжения выполняет функции порогового элемента, сравнивающего напряжение на токоогранимительном резисторе 2 с опорным подключением другим выводом к выходной обмотке трансформаторного блока 1 возбуждения. Транзистор 2 выполнен на составном транзисторе с использованием микросборки. Ключ 6 выполнен в виде параллельного соеди .нения транзисторов с выравнивающими резисторами вэмиттерной цепи. Взаимодействие узла блокировки между собой и элементами преобразователя происходит следующим образом, За время закрытого полупериода ключа 6 заряжается конденсатор источника запирающего напряжения 20 от выходной обмотки трансформатора блока 1 управления через диод и резистор. После смены полярности напряжения возбуждения отпирается транзисторный ключ 6, и на токоограничительном резисторе 2 падает часть этого напряжения, которая превышает величину опорного напряжения источника 38. Это при|ВОдит к запиранию транзистора 37 а транзистор 2 остается открытым током, протекающим через резистор 35 на время рассасывания неосновных носителей в базе другого транзисторного ключа 7 стойки 6-7 (фиг,1 | и затем за крывается, Снижение отпирающего напряжения управления при очередной сме не полярности -вызывает отпирание транзистора 37 и транзистора 2, Конденсатор источника 20 запирающего напряже1ия через, транзистор и диод 1б разряжается на открытый базо-эмиттерный переход транзистора 6. При этом происходит форсированное рассасывание неосновных носителей в базе транзистора ключа 6, а затем крутой спад тока. Этому способствует большая амплитуда запирающего тока, значительно превышающая ток отпирания ключа 6 и отсутствие индуктивных элементов в контуре разряда конденсатора. После запирания транзисторного ключа 6 диод 1б отсекает разряд конденсатора. Во время полупериода открытого состояния ключа 6 разряд конденсатора источника запирающего напряжения 20 предотвращается закрытым состоянием транзистора 2. Таким образом, в период медленно изменяющихся процессов преобразователя узел 28 блокировки влияния на работу устройства не оказывает. Необходимый фронт спада тока может быть обеспечен выбором величины емкости конденсатора источника 20 запирающего напряжения-..и включением дополнительного ре стора. Таким образом, форсированное запирание в сочетании с автоматической задержкой переключения транзисторов позволит повысить КПД устройства,

(рае. Z