Преобразователь постоянного напряжения Советский патент 1983 года по МПК H02M7/537 H02P13/18 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в качестве преобразователя с высокой нагрузочной способностью, в частности, при построении источников вторичного электропитания в качестве преобразователя постоянного напряжения в высокочастотное переменное с последующим выпрямлением высокочастотного переменного напряжения, а также в качестве инверторной ячейки при построении преобразователей частоты с квазисинусоидальным выходным напряжением. Известен инвертор напряжения, выполненный по мостовой- схеме на силовых транзисторах с обратными диодами, включенными параллельно силовым транзисторам . Недостатком данного инвертора нат пряжения являются значительные динамические потери, вызванные протека нием сквозных токов в силовых транзисторах инверторов, что обуславливает низкие энергетические характе л ристики и низкую надежность функционирования указанного инвертора напряжения. Известен инвертор напряжения, выполненный на силовых транзисторных ключах, каждый из которых содержит базовый диод, ограничивающий резистор, диод обратного смещения, диод нелинейной обратной связи, а также управляемый-дроссель насыщения 2 . Недостатками известного инвертора напряжения являются низкая технологичность изготовления, обусловленная наличием в его составе Нестандартных моточных элементов - управляемых дросселей насыщения, а также значительные динамические потери в момент включения силовых транзисторов. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является преобразователь постоянного напряжения, содержащий инвертор, выполненный по мостовой схеме на силовых транзис торах, зашунтированных обратными дио рами, при этом блок управления инвер тора содержит последовательно соединенные заданяций генератор, фазорас- щепитель и основной усилительно-развязывающий узел, а также четыре узла задержки, каждый из которых включен между одним из выходов основного усилительно-развязывающего узла и цепью управления соответствукщего силового транзистора 3J . Однако известное устройство харак теризуется значительными динамическими потерями в моменты включения си ловых транзисторов. Это объясняется тем, что в момент включения силового транзистора к нему прикладывается полное напряжение питания и ток нагрузки, протекающий через этот транзистор, вызывает вьвделение на нем значительной мгновенной мощности. Описанное явление особенно проявляется на высокой частоте преобразователя при работе инвертора напряжения на выпрямитель со сглаживагацим фильтром. При этом повышенные динамические по-( тери в клйэчах вызваны возникновением режимов кратковременного короткого замыкания для инвертора в моменты времени коммутации тока вентилей выпрямителя. При этом силовые транзисторы переходят из режима насыщения в активный режим работы и на, них выделяется значительная мгновенная мочность. Это снижает нагрузочную способность инвертора напряжения, а следовательно, и его надежность при повышенных токах нагрузки и при работе на вьшрямитель со сглаживающим фильтром. Цель изобретения - повышение надежности за счет увеличения нагрузочной способности инвертора напряжения путем уменьшения динамических потерь, возникающих в моменты включения силовых транзисторов.. . Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь постоянного напряжения, содержащий инвертор напряжения, выполненный по мостовой схеме на силовых транзисторах, зашунтированных обратными диодами, блок управления которого содержит последовательно соединенные задающий генератор, фазорасщепитель и основной усилительно-развязывающий узел, каждый из четырех выходов которого через соответствующий узел задержки подключен к входу соответствукнцего силового транзистора, в инвертор введены четыре транзисторно-тиристорных ключа, каждый из которых включен согласно параллельно соответствующему силовому транзистору и выполнен в виде последовательно соединенных коммутирующего транзистора, параллельно силовой цепи которого включены резистор, и тиристора, а блок управления снабжен двумя дополнительными усилительно-развязывающими узлами, выходы первого из которых связаны с цепями управления коммутиру-ющих транзисторов, а выходывторого- с цепями управления тиристоройТ и того, распределителем импульсов, вход которого подключен к выходу задаkx4ero генератора, а два выхода подсоединены соответственно к входам элементов совпадения, один из входов первого из которых подключен к выходу задгшэщего генератора, а один из входов второго элемента совпадения подключен к выходу первого элемента совпадения, четырехканальным дешифратором, первые два входа которого подключены к выходам фазорасщепителя, а вторые - соответственно к выводам первого и второго элементов совпсщения, причем выходы первого и второго каналов дешифратора связаны с входами первого дополнительйого усилительно-развяэывагадего узла, а выходы третьего и четвертого каналов - с входами второго дополнительного усилитель-развязывающего узла.

При этом распределитель импульсов выполнен в виде К-отводной линии задержки, вход которой образует вход pa-cnpjgfl ел и тел я имп у ль с ов, а п ер вый и последний выводы К-стводной линии задержки образуют соответственно первый и второй выходы распределителя импульсов.

Узел задержки выполнен в виде согласованной линии задержки, вход которой образует вход узла задержки, на выходе которой установлен согласующий каскад, нагруженный на . ключевой элемент, выполненный в виде транзистора, включенного по схеме с общим коллектором, причам выхсщ ключевого элемента образует выход узла задержки.

йа фиг. 1 представлена структурная схема преобразователя постоянного напряжения; на фиг. 2 - принципиальная схема силовой части устройства; на Фиг. 3 - примеры выполнения схем фазорасщепителя, распределителя импульсов,, схем совпадения и дешифрэ тора; на фиг.. 4 - пример выполнения узла задержки; на фиг. 5 - вр ленные диаграммы, пояснякщие принцип работц данного преобразователя. .

Преобразователь напряжения содержит инвертор 1 и блок 2 его управления. Инвертор 1 напряжения (фиг. 2) выполнен по мостовой схеме на силовых транзисторах 3.1 - 3.4 с обратными диодами 4.1 -4.4, включенными параллельно силовым транзисторам 3.-1 - 3.4. Кроме того, параллельно каждому силовому транзистору 3.1 3.4 включены в прямом направлении по отношению к источнику питания инвертора транзисторно-тиристорныё КЛЮ1ЧИ 5.1 - 5.4, выполненные в виде последовательно соединенных коммутирующих транзисторов 6.1 - 6.4, параллельно которым установлены резистсч 7.1 - 7.4 и тиристоры 8.1-8.4. .

Блок 2 управления (фиг. 1) инвертора напряжения содержит последовательно соединенные задающий генератор 9, фазорасщепитель 10 и основной усилительно-развязывающий узел 11, at также четыре узла 12.1 - 12.4 задержки, каждый из которых включен между одним из выходов основного усилительно-развязывающего узла 11 и цепью управления соответствующего силового транзистора 3.1 - 3.4. ПоЮ1МО того, блок 2 управления содержит два дополнительных усилительноразвязывающих узла 13 и 14, первый

из которых 15 выходами связан с цепями управления коммутирующих транзисторов 6.1 - 6.4, а второй 14 - с цепями управления тиристоров 8.1 8.4, распределитель 15 импульсов, 5 имеющий два выхода, входом подключенный к выходу задающего генератора

9,два двухвходовых элемента 16 и 17 совпадения, первый из которых

16 одним входсм 18 подключен к выхо10 ду задающего генератора 9, а вторым входом 19 - к второму выходу распределителя 15 импульсов, причем второй элемент 17 совпадения первым вхоДСФ1 20 подключен к выходу первого 5 элемента совпадения 16, а

входсж 21 - к первсжу выходу распределителя 15 импульсов, четырехканальный дешифратор 22, имеющий четцре, входа, первые два из которых 24 и 24 Q подключены к выходам фазорасщепителя

10,а вторые 25 и 26 - к выходам элементов 16 и 17 совпадения соответственно. Выходы 27 и 28 первого и второго каналов дешифратора 22 свячс замы с входами второго дополнительного усилительно-развязывающего узла 14, а выходы 29 и 30 третьего и четвертого канала дешифратора 22 - с вхсдцами первого дополнительного усилительно-развязывающего узла 13. Распределитель 15 импульсов .

(фиг. 3} выполнен в виде К-отвсщной линии задержки, вход которой образует вход распределителя импульсов, а перш1й и прслеяиий выводы К-отводо;-.

5 ной линии задержки образуют соответственно первый и второй рас. пределителя и в1ульсов.

Фазорасщепитель 10 может быть

0 выполнен на одном триггере, работгоощем в счетном режиме.

Элет14енты 16 и 17 совпадения могут быть построены по идентичным схемам на трех логических элементах И-НЕ

5 каждая.

Четырехканальный дешифратор 22 может быть Построен на четырех логических элементах И-НЕ.

Узлы 12.-1 з.а ержки (см. фиг. 4) выполнены по идентичным схемам. Каждый узел 12.1 задерж си содержит линию 31 задержки,согласованную резистортай 32,вход которой образует вход узла задержки. Выход линии 31 задержки подключен к согласующему каскаду,

5 выпoлнeннo вy на транзисторе 33 и нагруженному через резистор 34 на ключевой элемент 35, вьшолненный в виде транзистора, который включен между последовательно соединенными ограни0 чивающим резисторсм 36, базовым

диодсил 37 и базой силового транзистора 3.1. Между коллектором силового транзистора 3.1 и анодом базового диода 37 включен диод 38 нелинейной

5 обратной связи, а весь узел задержки эашунтирован диодом 39 обратного смещения. Усилительно-развязывающие узлы 11,13 и 14 построены по идентичной мостовой схеме инвертора напряжения с трансформаторным выходсм. В даннет у стройстве обеспечиваетс такой алгоритм работы силовых ключей при котором в первую очередь включается кс лмутирующий транзистор 6.1. Через, время, достаточное для запирания силового транзистора 3.1, работавшего в стойке инвертора ранее, включается тиристор 8.1. При этом транзисторно-тиристорный ключ 5.1 открывается и принимает на себя весь ток нагрузки. Следует отметить, что коммутиругадий транзистор 6.1 начинает пропускать ток нагрузки будучи насыщенным, и все динамические потери оказываются локализованными в тиристоре 8.1. Резистор 7.1 ограничивает скорость нарастания напряжения на тиристоре 8.1. Через время, достаточное для спада напряжения на открытом транзисторно-тиристорнсм ключе 5.1 до нуля, включается силовой транзистор 3.1, что обеспечивает облегченный режим включения силового транзистора 3.1. Через время, достаточное для полного открывания силового транзистора 3.1 транзисторнотиристорный ключ 5.1 закрывается путем запирания коммутирующего транзистора 6.1И снятия импульса управления с тиристора 8.1. Блок управления инвертора напряже ния обеспечивает формирование на выходе трех последовательностей импуль сов; последовательности управляющих импульсов, поступающих в цепь управл ния коммутирующим транзистором; последовательности управляющих импульсов, поступающих на управляющий элек трод тиристора; последовательности управляющих импульсов, поступающих в цепь управления силовым транзистором. Рассмотрим принцип действия предлагаемого преобразователя используя временные диаграммы, приведенные на фиг. 5. Задающий генератор 9 блока 2 упра ления инвертора напряжения формирует на выходе импульсное напряжение 40, которое поступает на входы фазорасщепителя 10 и распределителя 15 импульсов, а также на вход 18 элемента 16 совпадения. На выходах фазорасщепителя 10 при этом вырабатываются импульсные напряжения 41 и 42 управления основным усилительно-развязыва ющим узлом 11 и дешифратором 22, а на выходах распределителя 15 импульсов - импульсные напряжения 43 и 44, поступающие соответственно на входы 21 и 19 элементов 17 и 16 совпадения При этом на выходе элемента 17 совпадения формируется импульсное напряжение 45, а на выходе элемента 16 совпадения - импульсное напряжение 46. При совпадении импульсного напряжения 45 с импульсным напряжением 41 на выходе 29 дешифратора 22 формируется импульсное напряжение 47, а при совпадении импульсного напряжения 45 с импульсным напряжением 42 на выходе 30 дешифратора 22 формируется импульсное напряжение 48. Импульсные напряжения 47 и 48 далее поступают на входы дополнительного усилительно-развязывающего узла 13, с выходных обмоток трансформатора которого снимаются последовательности управляющих импульсов 49, поступающие в цепь управления коммутирующими транзисторами 6.1 - б.4. При совпадении импульсного напряжения 46 с импульсным напряжением 41 на выходе 27 д аиифратора 22 формируется импульсное напряжение 50, а при совпадении импульсного напряжения 46 с импульсным напряжением 42 на выходе 28 дешифратора 22 формируется импульсное напряжение 51. Импульсные напряжения 50 и 51 далее поступают на входы дополнительного усилительно-развязывающего узла 14, с выходных обмоток трансформатора которого снимаются последовательности управляющих импульсов 52, пЪступагацих на управляющие электроды тиристоров .8.1 - 8.4. С выходных обмоток трансформатора основного усилитеЛьно-развязывшощего узла, 11 последовательности импульсов 53 поступг1ют на узлы 12.1 - 12.4 за держки. С приходом импульса управления через время, определяемое временем задержки управляющего сигнала 53 линией 31 задержки, открываются согласующий транзистор 33 и Ключевой элемент 35. При этом в базовой цепи силового транзистора 3.1 начинает протекать .базовый ток 54. Силовой транзистор 3.1 начинает отпираться и через время, величина которого определяется частотными свойствами транзистора, переходит в состояние насыщения, степень которого ограничена за счет отрицательной обратной связи по току, осуществляемой через диод нелинейной обратной связи 38. При появлении запирающего напряжения на входе узла 12.1 задержки силовой транзистор 3.1 начинает переходить в запертое состояние. За счет наличия активного запирания силового транзистора 3.1 через диод обратного смещения 39, а также за счет незначительной степени насыщения силового транзистора 3.1 его коллекторный ток 55 начинает уменьшаться в тот/ же момент вр12мени. Вследствие этого время выключения силовго транзистора 3.1 уменьшается по сравнению с сильнона :

сыщенным режимом работы, в котором моменту начала снижения коллекторного тока предшествует интервал рассасывания неосновных носителей в базе.

К моменту включения силового транзистора падение напряжения 56 на нем оказывается равным суммарному паде1НИЮ напряжения на открытых кс%1мутирующем транзисторе и тиристоре. Этим значительно уменьшена мгновенная мощность, выделянядаяся на силовсм транэисторе при его включении, и следовательно, значительно облегчен режим его работы,

Тиристор, входящий в состав транэисторнф-тиристорнрго ключа, рбладающий большей, чем силовой транзистор перегрузочной способностью, принимает 1На себя ток нагрузки при приложеннс

к нему полном напряжении питания, так как коммутирующий транзистор начинает пропускать ток будучи насыщенным. При этом время работы транзисторно-тиристорного ключа по отношению к длительности работы силового транзистора не значительно. При включении силового |транзистора ток транзисторно-тиристор;ного ключа переходит в коллекторную цепь силового транзистора, причем ве.личина его при этом определяется лишь iвеличиной тока нагрузки.

Таким образом, в предлагаемом преобразователе значительно повышается нагрузочная способность инвертора за счет снижения динамических потерь, возникающих в моменты включения силовых транзисторов.

пш,,Г

n

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий инвертор напряжения, выполненный по мостовой схеме на силовых транзисторах, зашунтированных обратными диодами, блок управления которого содержит последовательно соединенные задающий генератор, фазорасщепитель и основной усилительно-развязывающий узел, каждый из четырех выходов которого через соответствукщий узел задержки подключен к входу соответствующего силового транзистора, отличаюц и и с я тем, что, с целью повышения надежности за счет увеличения нагрузочной способности путем уменьшения динамических потерь, возникающих в моменты включения силовых транзисторов , в инвертор введены четыре транзисторно-тиристорных ключа, каждый из которых вклю:чен согласно парая.- Лельно соответствующему силовому транзистору и выполнен в виде последовательно соединенных коммутирующего транзистора, параллельно силовой цепи которого включен резистор, и. тиристора, а блок управления снабжен двумя дополнительными увилительно-развязывагацими узлами, выходы первого из которых связ:аны.с цепями управления коммутирующих транзисторов, а выход второго - с цепями управления тиристоров, и кроме того, распределителем импульсов, вход которого подключен к выходу задающего генератора, а два выхода подсоецине ны соответственно к входам элементов совпадения, один из входов первого из которых подключен к выходу задающего генератс а, а один из вхсшов второго элемента совпадения подключен к выходу первого элемента совпадения, четырехканальным дешифратором, первые два входа которого подключены к -выходам фазорасшепителя, а вторые - соответственно к выходам первогои второго элет«ентов совпадения, причем выходы и второго каналов даиифратора связаны с BXi первого дополнительного усилительноразвязывающего узла, а выходы третьего и четвертого каналов - с входами второго дополнительного усилительно-раз в язывакхцего узла. 2,Преобразователь по п. 1, отСП личающийся тем, что распределитель импульсов выполнен в , оо виде К-отводной линии задержки, вход которой образует вход распределителя импульсов, а первый и последний выводы К-отводной линии эгшержки обOD разуют соответственно первый и второй выходы распределителя импульсов. 3.Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что узел задержки выпЬлнен в виде согласованной линии задержки, вход которой образует вход узла задержки, на выходе которой установлен согласующий каскад, нагруженный на ключевой элемент, выполненный в виде тран- : зистора, включенного по схеме с общим коллектором, причем выход ключевого элемента образует выход узла задержки.

Г1д

Риг. 3

Фиг. 2