Ключевой преобразователь Советский патент 1991 года по МПК H02M7/537 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах вторичного электропитания, автоматики и электропривода для преобразования или коммутации постоянного напряжения.

Цель изобретения - повышение КПД и надежности путем уменьшения динамических потерь при переключении транзисторов.

На фиг.1 приведена схема ключевого преобразователя на N транзисторах; на фиг.2 - то же, на двух транзисторах (N - число ряда 2, 3, 4, ...); на фиг.З -диаграммы напряжения и тока в различных точках схемы (а - напряжение на выходе блока управления; б - напряжение эмиттер-коллектор и ток коллектора транзистора 1.1; Ь-напряжение эмиттер-коллектор и ток коллектора транзистора 1.2; г - напряжение на конденсаторе 2.1; d - напряжение на конденсато- ре 2.2).

Ключевой преобразователь (фиг.1) содержит N транзисторов 1.1 - 1.п и N последовательно включенных конденсаторов 2.1 - 2.п. Блок 3 управления имеет N выходов, присоединенных к базам транзисторов 1.1 - 1.п. Дроссель 4 имеет N-1 основных обмоток, каждая из которых разделена промежу- точным отводом на участки: первая основная обмотка на участки 5.1 и 5.2.1., вторая - на 5.2.2 и 5.3.1 и т.д., а последняя - на участки 5.п.2 и 5.П-1.2.

N резисторов 6.1 - б.п шунтируют конденсаторы 2.1 - 2.п соответственно. Конденсаторы 2.1 и 2.п шунтированы также цепочками из последовательно включенных транзисторов 1,1, первого участка первой обмотки 5.1 дросселя 4 и участка обмотки 5.п дросселя 4 и транзистора 1.п соответ- ственно. Коллектор транзистора 1.1 соединен с первым силовым выводом транзисторного коммутатора, соединенного с источником питания 7. Эмиттер транзистора 1.п соединен с первым выводом нагрузки 8. При этом силовые электроды к-го

транзистора (к - число ряда 2,3,4 п-1)

присоединены к разноименным выводам

участков обмоток 5.к.1 и 5.к.2. Соотношение числа витков в участках обмоток 5.1 и 5.П.2 дросселя 4 для случая равномерного деления напряжения между всеми транзисторами вдвое больше числа витков всех остальных участков обмотки 5.к.1 и 5.К.2. Между первым выводом источника 7 питания и коллектором транзистора 1.2, между эмиттером к-го транзистора и первым выводом нагрузки 8, между эмиттером n-го транзистора и первым силовым электродом к+2 транзистора встречно с источником 7 питания включены основные диоды 9.1, Э.п, 9,2,..., 9.(п-1) соответственно.

Параллельно выводам источника питания подключена последовательная цепь из дополнительной обмотки 5.(п+1) дросселя 4 и встречно включенного дополнительного диода 10, причем количество витков обмотки 5.(я-И) равно сумме всех витков обмоток 5.1-5,п.

В случае ключевой преобразователь (фиг.2) содержит транзисторы 1.1, 1.2, конденсаторы 2.1, 2.2, блок 3 управления,

дроссель 4 с участками основной обмотки 5.1, 5.2 и дополнительной обмотки 5.3, имеющей вдвое больше витков, чем каждый участок 5.1 и 5.2, резисторы 6,1, 6.2, источник 7 питания, нагрузку 8, основные диоды 9.1,

9.2 и дополнительный диод 10.

При (фиг.2) ключевой преобразователь работает следующим образом.

Когда с блока 3 управления на транзисторы 1.1, 1.2 поступает запирающий ситнал, транзисторы 1.1, 1.2 находятся в выключенном состоянии. В участках обмотки 5.1, 5.2 дросселя 4 ток равен нулю, а конденсаторы 2.1, 2.2 заряжены, примерно, до половины напряжения источника питания.

В момент времени to (фиг.З) блок 3 управления вырабатывает открывающий управляющий сигнал. В силу технологического разброса при изготовлении транзисторов 1.1, 1.2, элементов блока 3 управления и т.д., транзисторы 1.1 и 1.2 включатюся не одновременно. Пусть, например, первым включается транзистор 1.2, через силовые электроды транзистора 1.2 и дроссель 4 начинает протекать ток заряда конденсатора 2.2 и ток разряда конденсатора 2.1.

В момент ti открывается транзистор 1.1. Через силовые электроды транзистора 1.1с постоянной времени, определяемой индуктивностью обмоток дросселя 4, устанавливается ток нагрузки н. После включения транзистора 1.1 возникает сложный процесс из нескольких энергообменов между конденсаторами, основной индуктивностью дросселя 4 и индуктивностью рассеивания обмоток 5.1, 5.2.

При открытых транзисторах 1.1,1.2 конденсаторы 2.1, 2.2 разряжены, через дроссель 4 протекает ток нагрузки н.

В момент времени t2 блок 3 управления подает запирающий сигнал на базы транзисторов 1.1, 1.2. Допустим, что в силу указан- ных выше причин, первым начнет закрываться транзистор 1.1. Уже в начале запирания транзистора открывается диод 9.2 и часть энергии, запасенной в дросселе 4, начинает циркулировать по цепи: участок обмотки 5.2 дросселя 4. транзистор 1.2, диод 9.2, участок обмотки 5.1 дросселя 4. Часть тока нагрузки 8 ответвляется в цепь: источник 7 питания, конденсатор 2.1, обмотка 5.2 дросселя 4, транзистор 1.2, нагрузка 8, источник 7 питания; а часть по цепи:источник 7 питания, запирающий транзистор 1.1, участок обмотки 5.1 дросселя 4, конденсатор 2.2, нагрузка 8, источник 7 питания. В момент времени тз запирается транзистор 1.2, Ток нагрузки при этом поддерживается за счет тока заряда конденсаторов 2.1, 2.2. В точке соединения участков обмоток 5.1 и 5.2 дросселя 4 происходит токообмен между запирающимися транзисторами 1,1, 1.2 и конденсаторами 2.1, 2.2. Дроссель 4 отдает запасенную в нем энергию конденсаторам 2.1, 2.2.Диоды 9Л и 9.2 открыты и ток дросселя 4 замыкается по двум цепям: обмотка 5.2 дросселя 4, диод 9.1, конденсатор 2.1 и обмотка 5.1 дросселя 4, конденсатор 2.2, диод 9.2, обмотка 5.1 дросселя 4. Напряжение на конденсаторах 2.1, 2.2 при закрытых транзисторах 1.1, 1.2 равны между собой в силу индуктивной связи между одинаковыми участками обмотки 5.1 и 5.2 дросселя 4.

При работе в широком диапазоне коммутируемых токов и напряжений необходимо введение цепи рекуперации в виде дополнительной обмотки 5.3 дросселя 4 и дополнительного диода 10. При равенстве витков вспомогательной обмотки 5.3 и суммы витков обмоток 5.1 и 5.2 разряд дросселя 4 происходит при напряжении на силовых электродах транзисторов 1.1 и 1.2, не 50 превышающем половины напряжения источника 7 питания.

В запертом состоянии равномерное распределение напряжения между транзисторами 1.1 и 1.2 обеспечивается резистив- 55 ным делителем на сопротивлениях 6.1, 6.2. В случае (фиг.1) устройство работает аналогичным образом. В исходном состоянии напряжения на транзисторах выравниваются резистивным делителем 6.1- б.п. При включении любого к-го транзистора на остальных N-1 транзисторах напряжение уменьшается на величину DCK, где UCK - напряжение на конденсаторе, который шунтируется открывающимся транзистором 1 .к. 5 В нагрузке протекает ток перезарядки остальных N-1 конденсаторов от напряжения до напряжения (N-1). При соответствующем выборе емкости конденсаторов 2.1-2.П напряжение на транзисторах до 10 открывания следующего транзистора изменяется не значительно (практически все транзисторы 1.1 -1.п начинают открываться одновременно, но эквивалентное сопротивление между силовыми электродами изме- 15 няется с разной скоростью). По достижении включенного состояния в к-м транзисторе наблюдается небольшой скачок тока, обусловленный подзарядкой к-1 конденсатора, шунтируемого к-1 ранее включенным тран- 0 зистором, но на динамические потери он существенного влияния не оказывает, так jcaK транзистор находится уже во включенном состоянии. Во включенном состоянии коммутатора токи в обмотках 5.1-5.П дрос- 5 селя 4 равны току нагрузки 8.

При включении транзисторного коммутатора первым выключается, например, транзистор 1.к. Ток нагрузки начинает протекать через конденсатор 2.к, открываются 0 диоды 9.(к-1) и 9.(к+1). Напряжение на силовых электродах транзистора 1.к равно сумме напряжений на конденсаторе 2.к и на любом из остальных конденсаторов 2.1 -2.п. Напряжение на конденсаторах 2.1-2.П, за- 5 шунтированных транзисторами 1.1-l.n начинает возрастать благодаря зазору конденсаторов 2.1-2.П разностным токам дросселя 4 и уменьшающимся током нагрузки. 0

Под воздействием запирающего напряжения транзисторы закрываются. При достижении на любом шунтирующем конденсаторе 2.1-2.п напряжения от- 5 крывается диод 10 и остаточная часть энергии дросселя рекуперируется в первичный источник 7 питания

Таким образом, в предложенном ключевом преобразователе с последовательным включением транзисторов в транзисторном коммутаторе введенные цепи и связи одновременно формируют оптимальную траекторию переключения транзисторов и обеспечивают равномерное распределение напряжений на транзисторах, что позволяет повысить КПД и надежность.

Формула изобретения 1. Ключевой преобразователь, содержащий по меньшей мере один транзисторный коммутатор, силовые выводы которого через выходные выводы подключены к входным выводам, состоящий из N синхронно- и синфазно-управляемых транзисторов, N основных диодов, N конденсаторов, соединенных в последовательную цепочку, включенную между силовыми выводами транзисторного коммутатора, и многообмоточный дроссель, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД и надежности путем уменьшения динамических потерь при переключении, многообмоточный дроссель выполнен с N 1 основными обмотками, каждая из которых имеет отвод от промежуточной точки, транзисторы и основные обмотки многообмоточного дросселя, чередуясь, соединены согласно-последовательно, причем коллектор первого транзистора соединен с первым силовым выводом транзисторного коммутатора, эмиттер последнего транзистора соединен с вторым силовым выводом транзисторного коммутатора, а отвод от промежуточной точки каж- дои основной обмотки многообмоточного

5

0

5

0

5

0

дросселя соединен с соответствующей точкой соединения смежных конденсаторов последовательной цепочки, причем первый транзистор вместе с подключенной к его эмиттеру первой основной обмоткой многообмоточного дросселя, последний транзистор вместе с подключенной к его коллектору последней основной обмоткой многообмоточного дросселя и каждый из остальных транзисторов вместе с подключенными как к их коллекторам, так и к эмиттерам основными обмотками многообмоточного дросселя шунтированы встречно включенными основными диодами,

2.Преобразователь по п.1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что. с целью равномерного распределения напряжения на транзисторах, участок первой основной обмотки многообмоточного дросселя между отводом и крайним выводом, подключенным к эмиттеру первого транзистора, и участок последней основной обмотки многообмоточного дросселя между отводом и крайним выводом, подключенным к коллектору последнего транзистора, имеет число витков вдвое большее, чем число витков других участков этих обмоток и участков от отвода до каждого крайнего вывода всех других основных обмоток.

3.Преобразователь по п.1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что в многообмоточный дроссель введена дополнительная обмотка, соединенная через введенный дополнительный диод, включенный встречно с входными выводами для подключения источника питания.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах вторичного электропитания, автоматики и электропривода для преобразования или коммутиции постоянного напряжения. Цель изобретения - повышение КПД и надежности путем уменьшения динамических потерь при переключении транзисторов. Ключевой преобразователь содержит транзисторный коммутатор, состоящий из N транзисторов 1.1...1.П. N конденсаторов 2.1...2n, N основных диодов 9.1...9.П и многообмоточный дроссель 4 с N-1 обмотками,

ОД/г 2

Л

Г

i

la

X