Коммутационное устройство Советский патент 1987 года по МПК H02M7/537 

113

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в силовых полупроводниковых преобразователях, в частности в источниках вторичного электропитания.

Цель изобретения - повышение надежности и КПД.

На фиг.1 изображена основнпя прин- -ципиальная электрическая схема комму- тадионного устройства; на фиг.2 - схема при работе устройства на индуктивную нагрузку; на фиг.З и 4 - то же, при работе на нагрузку, содержащую 1,СВ-фильтр.

Коммутационное устройство, выполненное по основной схеме (фиг.1), содержит ключевой элемент 1, источник 2 питания, шунтирую ций конденсатор 3, первый диод 4, трансформатор 5 с первичной 6 и вторичной 7 обмотками, второй диод 8, цепь нагрузки 9, дополнительный дроссель 10 и вспомогательный диод 11. При работе на индуктивную нагрузку коммутационное устройство, кроме указанных элементов, содержит вспомогательный источник 12 напряжения (фиг.2), который при использовании LCD-фильтра (фиг.З и 4) образован частью витков обмотки дросселя 12. На фиг.З и 4 обозначены также обратный диод 14 фильтра и сглаживающий конденсатор 15.

В схеме по фиг.1 ключевой элемент

1первым силовым выводом присоединен к первому зажиму для подключения источника 2 питания и первому выводу первой последовательной цепи, образованной шунтирующим конденсатором 3 и первым диодом 4. Первый вывод первичной обмотки 6 трансформатора 5 подключен к второму силовому выводу ключевого элемента 1 и второму выводу первой последовательной цепи, а вторичная обмотка 7 образует вторую последовательную цепь с вторым диодом 8, первым выводом присоединенную к второму зажиму для подключения источника

2питания и первому выводу цепи нагрузки 9. Первый вывод первой последовательной цепи образован выводом шунтирующего конденсатора 3, причем общая точка соединения последнего с первьп диодом 4 подключена через дополнительный дроссель 10 к второму вьшоду последовательной цепи, а второй вывод первичной обмотки 6 трансформатора 5 соединен с вторым выводом цепи нагрузки.

5

6182

Коммутационное устройство работает следующим образом.

Предположим, что цепь нагрузки 9 имеет активный характер и ключевой

5 элемент 1 разомкнут. В этом случае напряжение на шунтирующем конденсаторе 3 равно напряжению источника 2 питания и полярность его соответствует показанной на фиг.1 без скобок.

0 при замыкании ключевого элемента 1 через него, первичную обмотку трансформатора 5 и нагрузку 9 начинает протекать ток. Напряжение, возникающее на обмотке 6, трансформируясь во

5 вторичную обмотку 7 (полярность показана на фиг.1 без скобок), вызывает отпирание второго диода 8 и появление тока разряда шунтирующего конденсатора 3. Ток разряда протекает по це0 пи: второй диод 8, дополнительный дроссель 10, шунтирующий конденсатор 3, источник 2 питания, вторичная обмотка 7. Если считать, что напряжение на ключевом элементе 1 спадает до нуля мгновенно, то в отличие от него ток, несмотря на активный характер цепи нагрузки 9, достигает своего квазиустановившегося значения не мгновенно, а постепенно. Это обуслов0 лено тем, что ток ключевого элемента равен сумме тока намагничивания первичной обмотки 6 и приведенного тока вторичной обмотки 7, скорость нарастания которого ограничена индуктивно5 стью дополнительного дросселя 10. В результате переключение ключевого элемента 1 происходит в благоприятных условиях: ток нарастает с нуля до установившегося при практически

0 нулевом напряжении на нем, т.е. динамические потери отсутствуют. Кроме того, цепь разряда щунтирующего конденсатора 3 не .включает в себя ключевой элемент 1, поэтому перегрузки

5 по току и связанные с ними дополнительные потери отсутствуют как непосредственно во время переключения, так и на протяжении всего разряда конденсатора 3.

0

Трансформатор 5 рассчитывают таким образом, что при номинальном токе нагрузки перемагничивание его сердечника заканчивается в момент, когда напряжение на шунтирующем конденсаторе 3 или близко, или равно нулю. В момент входа сердечника в насыщение напряжения на обмотках 6 и 7 спадают до нуля, однако ток в цепи разряда,

313

поддерживаемый индуктивностью дополнительного дросселя 20, продолжает протекать. Когда напряжение на шунтирующем конденсаторе 3 уменьшается до нуля, то открывается диод 4 и энергия, накопленная в магнитном поле дополнительного дросселя 10, рекуперируется в нугрузку 9, вызывая на это время соответствующее уменьшение

тока ключевого элемента 1. Если пере-1р приемлемое значение.

30

магничивание трансформатора 6 заканчивается раньше, что возможно при небольших токах нагрузки, то энергия дросселя 10 затрачивается на доразряд конденсатора 3, а остаток рекупери- J5 руется в нагрузку 9.

После разряда конденсатора 3 и дросселя 10 коммутационное устройство переходит в квазиустановившееся включенное состояние, в котором сердечник 20 трансформатора 5 намагничен до насыщения .

При запирании ключевого элемента

1 его ток спадает до нуля, а ток наг-25 сердечника трансформатора 5 рузки открывает первый диод 4 и начинает заряжать шунтирующий конденсатор 3, Благодаря тому, что напряжение на конденсаторе 3, а следовательно, и на ключевом элементе 1 нарастает постепенно, процесс выключения также происходит в благоприятных условиях: ток успевает спадать до нуля при достаточно малом напряжении, т.е. динамические потери практически отсутствуют. По мере заряда конденсатора 3 ток нагрузки уменьшается и сердечник трансформатора 5 начинает размагничиваться, что вызывает смену полярности напряжений на обмотках 6 и 7 (на .,. фиг.1 показана в скобках) и запирание второго диода 8. Заряд конденсатора 3 происходит через индуктивность обмотки 6 трансформатора 5, поэтому он может иметь либо апериодический характер, либо колебательный в зависимости от добротности контура заряда, которая в первую очередь определяется активной составляющей нагрузки 9. Для того, чтобы избежать перенапряжений на ключевом элементе 1 и ограничить напряжение на нем на уровне напряжения питания, целесообразно подключить вспомогательный диод 11 так, как показано на фиг.1 пунктиром. В этом случае в, момент, когда потенциал катода первого диода 4 снижается до отрицательного потенциала источника питания, открывается

35

45

50

55

После окончания заряда шу щего конденсатора 3 и разряд тивности намагничивания тра ра 5 коммутационное устройс ходит во второе квазиустанов состояние - разомкнутое. Пр нии ключевого элемента 1 пр протекают аналогично описан

Работа коммутационного у на нагрузку, содержащую инду 13, зашунтированную обратным 14 (фиг.2), протекает в осн аналогично описанному. Отли лючается в том, что размаг

ляется .с помощью вспомогател источника 12 напряжения. В состоянии ключевого элемент ратный диод 14 открыт индук током нагрузки 9, а всмопог диод 11 - током намагничива ки 6 трансформатора 5. При обмотке 6 прикладывается на вспомогательного источника дечник размагничивается.

После спада тока намагни обмотки 6 до нуля диод 11 и к ключевому элементу прик напряжение источника 2 пита вычетом напряжения вспомога источника 12. В качестве ук нагрузки может быть использ тродвигатель.

Коммутационное устройств быть использовано в преобра постоянного напряжения (фиг В этом случае цепь нагрузки LCD-фильтр с дросселем 13 и вающим конденсатором 15. На по фиг.З и 4 вспомогательны 12 напряжения образован час ков дросселя 13 (полярность ния на ней показана для зап ключевого элемента, когда п процесс размагничивания сер трансформатора 5), что упро преобразователя. Помимо пре телей напряжения, коммутаци

вспомогательный диод 11 и напряжение на ключевом элементе 1 остается равным напряжению питания. В дальнейшем разряд индуктивности намагничивания обмотки 6 происходит через нагрузку 9. Вспомогательньш диод 11 в продольной схеме необходим лишь при колебательном заряде конденсатора 3, когда выброс напряжения может превысить

0

5 сердечника трансформатора 5 ,.

5

5

0

5

После окончания заряда шунтирующего конденсатора 3 и разряда индуктивности намагничивания трансформатора 5 коммутационное устройство переходит во второе квазиустановившееся состояние - разомкнутое. При отпирании ключевого элемента 1 процессы протекают аналогично описанным.

Работа коммутационного устройства на нагрузку, содержащую индуктивность 13, зашунтированную обратным диодом 14 (фиг.2), протекает в основном аналогично описанному. Отличие заключается в том, что размагничивание

осуществляется .с помощью вспомогательного источника 12 напряжения. В закрытом состоянии ключевого элемента 1 обратный диод 14 открыт индуктивным током нагрузки 9, а всмопогательный диод 11 - током намагничивания обмотки 6 трансформатора 5. При этом к обмотке 6 прикладывается напряжение вспомогательного источника 12 и сердечник размагничивается.

После спада тока намагничивания обмотки 6 до нуля диод 11 запирается и к ключевому элементу прикладывается напряжение источника 2 питания за вычетом напряжения вспомогательного источника 12. В качестве указанной нагрузки может быть использован электродвигатель.

Коммутационное устройство может быть использовано в преобразователях постоянного напряжения (фиг.З и 4). В этом случае цепь нагрузки содержит LCD-фильтр с дросселем 13 и сглаживающим конденсатором 15. На схемах по фиг.З и 4 вспомогательный источник 12 напряжения образован частью витков дросселя 13 (полярность напряжения на ней показана для запертого ключевого элемента, когда происходит процесс размагничивания сердечника трансформатора 5), что упрощает схему преобразователя. Помимо преобразователей напряжения, коммутационное уст

51

ройство может быть применено в мостовых и полумостовьгх инверторах.

Особенностью коммутационного устройства является то, что коммутирующий конденсатор 3 разряжается током, зависящим от тока нагрузки. При больших сопротивлениях нагрузки и, соответственно, малых токах разряда пол -ный разряд конденсатора 3. может не произойти и на нем останется напряже ние. Поэтому при запирании ключевого элемента 1 спад тока происходит при определенном напряжении, тем большем чем меньще ток нагрузки, и возникают динамические потери. Однако увеличение напряжения происходит при соответствующем уменьшении тока нагрузки и если обеспечен полный разряд конденсатора 3 в номинальном режиме, то возникающие динамические потери в ключевом элементе пренебрежимо малы и могут быть устранены применением дополнительных цепей.

Коммутационное устройство не требует использования дополнительного разрядного транзистора. Ключевой элемент в нем переключается в облегченном режиме без динамических потерь как при отпирании, так и при запирании. Выбросы сквозного тока, в схеме устранены с помощью дополнительного дросселя, причем энергия, накапливаемая им не просто рекуперируется, а сначала используется для разряда шунтирующего конденсатора и лишь оставшаяся часть отдается в нагрузку. В результате предлагаемое коммутационное устройство имеет более высокие надежность и КПД, чем прототип.

Формула изобретения

1, Коммутационное устройство, содержащее ключевой элемент, присоеди..1

15

76

JQ

0

5

0

5

0

186

ненный первым силовым выводом к первому зажиму для подключения источ.ника питания и первому выводу первой последовательной цепи, образованной соединением шунтирующего конденсатора и первого диода, трансформатор, у которого первьш вывод первичной обмотки подключен к второму силовому выводу ключевого элемента и второму выводу первой последовательной цепи,

а вторичная обмотка вместе с вторым диодом образует вторую последовательную цепь, первым выводом присоединенную к второму зажиму для подключения источника питания и первого вывода цепи нагрузки, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности и КПД, в него введен дроссель, включенный последовательно во вторую цепь, которая подключена к общей точке соединения конденсатора и диода первой цепи, а второй вывод первичной обмотки трансформатора со- . единен с вторым выводом цепи нагрузки.

2.Устройство по п.1, отличающееся тем, что при нагрузке индуктивного характера, зашунти- рованной обратным диодом, в цепь нагрузки установлен вспомогательный источник напряжения.

3.Устройство по пп. 1 и 2, о т - личающееся тем, что при использовании в цепи нагрузки LCD- фильтра, вспомогательный источник напряжения образован частью витков дросселя фильтра.

4. Устройство по пп. 1 - 3, отличающееся тем, что в него введен вспомогательный диод, подключенный первым выводом к второму силовому выводу ключевого элемента, а вторым - к второму зажиму для подключения источника питания.

() С-Н) 1 (риг. 2

/

(-) ()

фиг.З

Изобретение относится к электротехнике и может найти применение в силовых полупроводниковых преобразователях, в частности во вторичных источниках электропитания. Целью изобретения является повьшение надежности и КПД. Благодаря цепям, образованным . элементами 3,4,7,8,10, организован разряд конденсатора 3 по контуру, не включаюп(ему в себя ключевой элемент 1, вследствие чего он не перегружается: устранены сквозные токи и динамические потери, энергия из реактивных элементов цепей формирования рекуперируется в источник. 3 з.п. ф-лы, 4 ил. (-) (Н-) Од 05 СХ)

у1

+ II- 3

/7

{-) (-h) 6

8

А (-I-)

0ue.ft

Редактор А.Огар

Составитель О.Овчинников

Техред В.Кадар Корректор TiPeraeTHHK

Заказ 2432/53Тираж 660Подписное

ВНИИПИ Государственного ко 1итета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, К-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4