Плечо моста и полууправляемая электронная пара Советский патент 1991 года по МПК H03K17/08 

Изобретение предназначено для коммутации токов с индуктивной составляющей и может применяться преимущественно в импульсных преобразователях постоянного тока, преобразователях частоты с промежуточным контуром постоянного тока и в непосредственных преобразователях частоты.

Самоотключающиеся полупроводниковые приборы, работающие в режиме ключа, например биполярные транзисторы, униполярные транзисторы и ГТО-тири- сторы, называющиеся также однонаправленными ключами, так как у них протекание главного тока в рабочем режиме ограничено одним направлением, в максимально возможной мере должны освобождаться от динамических потерь, чтобы сравнительно чувствительные и

дорогостоящие самоотключающиеся полупроводниковые приборы максимально могли использоваться током нагрузки

. (связанным со статическими потерями).

Известны такие решения, включающие разгрузочные контуры, работающие без потерь (патент ФРГ Р 2639589, кл. Н 03 К 17/08, 1982).

Такие свободные от потерь разгрузочные схемы требуют большого количе

ства схемных элементов и ведут к ограничению возможностей применения

ifчастота импульсов, запас времени, активная защита) и к низкому использованию полупроводниковых приборов токами нагрузки ввиду дополнительных разрядных токов схемы разгрузки.

Известные монтажные контуры обладают дополнительными недостаткаР Ub

teo

1O5

4

ми, когда две пары в плече моста, состоящие из последовательно включенных одноправленного ключа и нулевого диода, соединяются по антипараллельной схеме, например,, для создания инверторных схем.

По этой причине в заявке ЬРГ К 3120469, кл. Н 03 К 17/08, 1982 (прототип) предлагается состоящая из однонаправленного ключа и нулевого вентиля пара, включенная между полюсами источника напряжения постоянного тока, содержащая дроссель разгрузки при включении, конденсатор разгрузки при отключении и работающий в униполярном режиме накопительный конденсатор в качестве третьего накопителя энергии, обеспечивающего временное промежуточное накопление энергии двух остальные реактивных элементов. Кроме второго нулевого вентиля, для каждой пары в плече моста еще требуются дополнительные диод разгрузки при отключении и запирающий диод. При антипараллельном включении двух таких пар, одна из которых должна быть рассчитана на положительный ток нагрузки, а другая - на отрицательный, имеется возможность протекания тока нагрузки в обоих направлениях. Однако для этого требуется развязка пар в плече при помощи диодов и/или индуктивностей.

Цель изобретения - повышение КПД путем уменьшения потерь мощности,

На фиг. 1 дана полууправляемая электронная пара в плече моста для положительного выходного тока; на фиг 2 - то же, для отрицательного выходного тока; на фиг. 3 - временная вольт-амперная характеристика

полууправяяемой электронной пары в плече моста с параллельным конденсатором с учетом паразитных индуктив- ностей проводов; на фиг. 4 - импульсный преобразователь постоянного тока с парой в плече мостаЈ на фиг. 5 - преобразователь частоты с парами в плече моста; на фиг. 6 - обладающие малыми индуктивностями системы полупроводниковый прибор - охладитель соответствующей изобретению пары в плече моста для положительного выходного тока; на Фиг. 7, 8 и ; 9 - примеры реализации электронной пары согласно п.З формулы изобретения. Изобретение исходит из того, что паразитные (в большинстве случаев

10

15

496444

указываемые в схемах) индуктивности из контура постоянного тока, в который включена такая электронная пара, должны быть сокращены в такой ме;ре, чтобы динамические потери снизились до уровня, допускающего отказ от разгрузочных контуров или соответственно их минимизацию. При этом должно быть учтено то обстоятельство, что уже на каждом участке провода, на котором токи включаются и выключаются при достигнутых в настоящее время скоростях изменения тока (порядка мкс), в процессе коммутации возникают внутренние перенапряжения .

На фиг. 1 показана электронная пара в плече моста, состоящая из включенных последовательно включаемого и отключаемого управляемого полностью электронного ключа -Т .и неуправляемого вентиля D1. В качестве ключа Т предусмотрен самоотключающийся полупроводниковый прибор, например биполярный транзистор. Однако представляется возможным вместо него применить униполярный транзистор или отключаемый ГТО-тиристор, Вентиль DI представляет собой неуправляемый полупроводниковый прибор, например диод, который в коммутационном режиме токопроводящий или запирающий ведется ключом Т. При представленной на фиг. 1 поляризации данная пара при включенном ключе Т способна к ведению положительного выходного тока (iflr 0) в точке подключения нагрузки L, Согласно изобретению параллельно к включенным -последовательно ключу Т и вентилю D1 под20

25

30

35

40

5

0

5

ключей конденсатор Ср, выводы которого непосредственно соединены с электродами Е1 и Е 2 пары ZP + . Благодаря этому соответственно шунтируются или блокируются паразитные индуктивности линии (L0 на $)иг.4 и 5) контура выпрямленного напряжения, к которому подключена пара ZP + ,

Одинаковый принцип действия пары в плече моста получается в том,- случае, когда изменяются полярность источника напряжения постоянного тока Uj, полярность ключа Т и полярность вентиля D1 . В результате возникает пара ZP - , способная к ведению отрицательного выходного тока () (фиг.2). При параллельном соединении обе пары ZP + , ZP - , соответственно ведущие положительный или от- рицательный выходной ток, пригодны для управления переменным током ().. При таком параллельном соединении ведущей положительный выходной ток пары ZP + и ведущей отрицательный выходной ток пары ZH - обеим парам ZP + , ZP - совместно, может быть присвоен параллельный конденсатор Ср.

Конденсатор С включен так, что при переключениях (коммутациях) тока нагрузки с ключа Т на вентиль D1 и наоборот индуктивные составляющие вход ного тока i i или соответственно выходного тока ia протекают через конденсатор Ср. При коммутации тока в такой паре ZP с учетом паразитных линейных ндуктивностей получаются по- казанные на фиг.З временные вольт- амперные характеристики. Процесс переключения с диода D1 на транзистор пары в плече управляется через управляющий вывод транзистора Т посредством тока управления о.6(фигЗ,Ј) .По истечении времени задержки включения tj транзистор Т начинает воспринимать ток (ток коллектора ic на фиг.З,а). Так как протекание тока i от источника напряжения постоянного тока через транзистор Т ввиду линейной индуктивности создается медленно (фиг.З,сО .конденсатор С„кратковременно должен представлять выходной ток ia, пока не будет создан ток it из контура напряжения постоянного тока. Одновременно конденсатор С р при переключении выходного тока in с диода D1 на тразистор Т должен предоставлять реактидный ток для запирания диода D1. Благодаря этому транзистор Т в течение времени задержки запирания диода D1 может работать в активной зоне (высокая мощность потерь в транзисторе), Процесс прекращения тока от накопления носителей зряда в диоде D1 ввиду наличия лишь

В работающих от источника напряжения импульсных преобразователях постоянного тока и работающих от источников напряжения преобразователях частоты с промежуточным контуром

минимальных паразитных индуктивностей проводов вызывает минимальные пе- 50 постоянного тока (соответственно ренапряжения у транзистора Т, работаю- фиг.4 или 5 при условии, что LJ L-) щего в активном режиме. Таким образом, можно отказаться от разгрузки включения транзистора Т, Выходной ток iQ t временно предоставляемый $5 конденсатором С.г и ток выключения ic диода D1 суммируются и образуют ток конденсатора i с« , из которого вычитается ток ij, создаваемый контуконденсатор Ср как вспомогательный конденсатор сокращает оказывающее влияние на процесс коммутации выходного тока ig паразитные линейные .индуктивности до конструктивно-технологически обусловленного минимума, определяемого изготовителем полупро- проводниковых приборов. Конденсате

$ 0

ром напряжения постоянного тока (фиг.З,с) .

На фиг.З,С линией 1 в процессе включения во время нарастания тока или снижения напряжения t, обозначена характерная точка, в которой напряжение в точке подключения нагрузки L переключается с диода D1 на транзистор Т.

Если транзистор Т снова должен отдать выходной ток 1Д, что производится за счет реверса тока управления i. (фиг.З, В, линия 2), на время накопления tg транзистора Т ток ic в коллекторе транзистора Т продолжает протекать до начала времени спада tr. Одновременно продолжаеттор 5

5

0

5

нарастать напряжение коллекэмиттер U

се

ибо только когда U.

напряжение коллектор - эмиттер ЧСЕ; достигло напряжения контура напряжения постоянного тока U, диод D1 может отпираться и принять на себя выходной ток 1д в течение времени спада tr. Ток i от источника напряжения постоянного тока U i на короткое время продолжает протекать за счет линейных индуктивностей. Этот ток 0 принимает конденсатор Ср, за счет чего немного повышается напряжение конденсатора Ucp(фкг.З,).Малоиндуктивное соединение конденсатора Ср допускает быстрое переключение тока нагрузки i g с транзистора Т на диод D1 и наоборот, причем сохраняются малые значения внутренних перенапряжений на транзисторе Т, результирующих из неидеальной коммутационной характеристики диода D1 и быстрых изменений тока на внутренних индуктив- ностях, а также можно минимизировать разгрузочные контуры или отказаться от них.

В работающих от источника напряжения импульсных преобразователях постоянного тока и работающих от источников напряжения преобразователях частоты с промежуточным контуром

0 постоянного тока (соответственно фиг.4 или 5 при условии, что LJ L-) 5

постоянного тока (соответственно фиг.4 или 5 при условии, что LJ L-)

конденсатор Ср как вспомогательный конденсатор сокращает оказывающее влияние на процесс коммутации выходного тока ig паразитные линейные .индуктивности до конструктивно-технологически обусловленного минимума, определяемого изготовителем полупро- проводниковых приборов. Конденсатером С л предоставляется коммутационный реактивный ток для процесса переключения выходного тока i с не- самоотключающегося полупроводникового прибора D1 на самоотключающийся полупроводниковый прибор Т„ Независимо от структуры устройства реализуется явно определенный коммутационный контур, который, в свою очередь, обеспечивает определенный процесс коммутации при необходимости с использованием активного рабочего диапазона (посредством формирования соответственно тока или напряжения управления) самовыключающегося полупроводникового прибора. Это справедливо для различных видов эксплуатации пар ZP в преобразовательных устройствах и независимо от величины коммутируемого выходного тока i. Применение конденсатора С р является предпосылкой для реализации работающих от источника тока импульсных преобразователей постоянного тока и работающих от источника тока преобразователей частоты с промежуточным контуром постоянного тока (соответственно фиг.5 или 6 при условии что С 0) на самоотключающихся полупроводниковых приборах. Указанный конденсатор служит ограничению напряжения промежуточного контура Uj и после каждого процесса коммутации в работающем от источника тока импульсном преобразователе или соот- ветсвенно инверторе предоставляет необходимые уравнительные реактивные токи,

I

Наряду с ограничением внутренних перенапряжений пары в плече моста и напряжения промежуточного контура постоянного тока параллельный конденсатор С во взаимодействии с диодом D1 вообще годится для ограничения внешних перенапряжений.

Техническая реализация конденсатора в качестве параллельного конденсатора Ср для соответствующей изобретению пары в плече моста отвечает известному уровню техники. Применяется малоиндуктивньш и обладающий вплоть до высоких частот малыми потерями металлебумажный конденсатор или конденсатор на диэлектрике из металлизированной полипропиленовой пленки с контактированным по лобовой части-узким рулоном.

6496448

Особенно предпочтительно параллельное подключение второго диода D2 к диоду Df, оптимизированному по характеристике включения и выключения, а также согласованному с транзистором Т (фиг.1 и 2). Применение двух полупроводниковых приборов D1 и D2 несамоотключающегося типа в качестIQ ве нулевого вентиля допускает раздельную оптимизацию с точки зрения полупроводниковой технологии, согласованную с самоотключающимся полупроводниковым прибором. В то время,

j как диод D1 оптимально согласовывается с характеристикой включения самоотключающегося полупроводникового прибора (коммутационный реактивный ток, емкостные токи), ди2Q од D2 в значительной степени определяет характеристику отключения самоотключающегося полупроводникового прибора (превышение напряжения, характеристику коммутации тока нагруз25 ки)„ Диод D2 при этом по сравнению с диодом D1 должен обладать более коротким временем включения, чтобы на определенное время принять на себя переключаемый с Т на D1 ток на30 грузки i и допустить лишь малое динамическое напряжение пропускания, которое, в свою очередь, исключает нагрузку самоотключающегося полупроводникового прибора недопустимы, ми напряжениями, значительно превышающими напряжение промежуточного контура Uj „ Однако за счет того, что статическое напряжение пропускания у диода D2 принимается большим,

40 чем у диода D1, достигается самостоятельное переключение тока нагрузки ia с диода D2 на диод D1. При параллельном соединении ведущей поло s

жительный выходной ток пары ZP + с .с ведущей отрицательный выходной ток парой ZP - , поскольку включаемый и отключаемый ключ Т соответственно представляет собой транзистор, транзистор пары ZP - с отрицательным выходным током в паре ZP + с

50

55

положительным выходным током одновременно может выполнять функцию диода D2, подключаемого параллельно к нулевому вентилю D1, или соответственно транзистор пары ZP + функцию диода D2 в паре ZP - . При изменениях обратного напряжения на диодах D1 и D2, которые имеют место во время процессов коммутации.

одновременно в диодах протекают емкостные токи смещения . В отличие от pn-структуры прп- ирпр-структура ми могут быть усилены емкостные токи смещения в полупроводниковом приборе при изменениях обратного напряжения dU./cTt. Поэтому при применении ,тра зйстора вместо диода D2 возможно выгодное усиление токов смещения. При изменении обратного напряжения на pnp-структуре dUo/dt L 0 емкостный ток ij),. можно усилить в такой мере, что он достигнет величины величины тока нагрузки i Током в указанной рпр-структуре уменьшается ток в самоотключающемся полупроводниковом приборе Т (причем ток нагрузки остается приблизительно неизменным) во время нарастация напряжения в процессе выключения. Оно способствует заметной разгрузке самоотключающегося полупроводникового прибора Т за счет значительног сокращения энергии потерь на выключение в течение времени выключения t0{{,ускоренному восстановлению об- ратного напряжения U

СБ:

связанному

сокращением времени выключения t

,Н

а также повышению надежности при применении транзисторов относительно 1-го (напряжения) и 2-го пробоя (мгновенная энергия потерь).

При изменении обратного напряжения на pnp-структуре dUn/dt 0 (инверсный режим) емкостный ток i „ не

усиливается, так что не возникает нагрузка самоотключающегося полупроводникового прибора Т в процессе включения. Кроме коммутационного реактивно- го тока для выключения диода D1, в течение времени включения t не возникают дополнительные нагрузки полупроводникового прибора Т.

Так как энергия, накопленная в выводах конденсатора, в самоотклю- чающемся полупроводниковом приборе Т в течение чрезвычайно короткого времени (t или соответственно t, на фиг.З преобразуется в тепло, малоиндуктив- Ное исполнение свободной от монтажных элементов пары оказывает решающее влияние на электрическое функционирование.

Геометрическая (пространственная) структура требующихся соединений у пары согласно изобретению определяет ее паразитные индуктивности. На фиг.6 показаны некоторые возможные примеры

id 49544

таких мапоиндуктивных комбинаций полупроводниковый прибор - охпадитепь для ведущих положительный выходной ток пар ZP + , которые являются основой для свободного от монтажных -элементов режима работы. В то же время показанные комбинации полупроводниковый прибор - охладитель разрешают наиболее эффективное применение обладающих потерями или свободных от потерь разгрузочных контуров, которые могут оказаться необходимыми ввиду специфики полупроводниковых приборов, если эти контуры, в свою очередь, реализуются с геометрическими преимуществами.

10

15

Формула изобретения

20

25

30

35

4045) 50

1. Плече моста, содержащее две полууправляемые электронные пары, включенные антипараллельно , каждая f полупроводниковая пара образована последовательно соединенными полно- . стью управляемым электронным ключом и неуправляемым вентилем, точка соединения которых подключена к выходной шине устройства, отличающееся тем, что, с целью повышения КПД, введен конденсатор, а полностью управляемый электронный ключ первой (ъторой) полупроводниковой электронной пары и неуправляемый вентиль второй (первой) полупроводниковой электронной пэры соединены параллельно,.очка соединения полностью управляемого электронного ключа первой (второй) полупроводниковой электронной пары с неуправляемые вентилем второй (первой) полупроводниковой электронной пары подключена к первой (второй) полупроводниковой электронной пары с неуправляемым вентилем второй (первой) полупроводниковой электронной пары подключена к первой (второй) шине питания и первому (второму) выводу конденсатора.

2. Полууправляемая электронная пара, содержащая полностью управляемый электронный ключ и неуправляемый вентиль, которые соединены после- .довательно и включены между тинами питания тем, что полностью управляе- сг мый электронный ключ включен согласно, а неуправляемый вентиль - встречно направлению протекания тока, точка соединения полностью управляемого электронного ключа и неуправляемого

вентиля подключена к выходной шине устройства, отличающаяся тем, что, с целью повышения КПД путем уменьшения потерь мощности, введен конденсатор, который включен параллельно соединенным последовательно полностью управляемому электронному ключу и неуправляемому вентилю, при этом первый вывод конденсатора соединен с первым силовым выводом полностью управляемого электронного ключа, а второй вывод - с вторым выводом неуправляемого вентиля.

3.Электронная пара по, п. 1, отличающаяся тем, что, с целью уменьшения перенапряжений, на полностью управляемом электронном ключе введен быстродействующий диод, который включен согласно-параллельно неуправляемому вентилю.

4.Электронная пара по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что в качестве полностью управляемого электронного ключа используется биполярный транзистор или униполярный транзистор, или запираемый тиристор.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в импульсных преобразователях постоянного тока или преобразователях частоты. Цель изобретения - повышение КПД - достигается путем уменьшения потерь мощности. Плечо моста содержит полностью управляемый электронный ключ и неуправляемый вентиль. Для достижения поставленной цели введен конденсатор, выводы которого непосредственно соединены с электродами, благодаря этому соответственно шунтируются или блокируются паразитные индуктивности линии контура выпрямленного напряжения, к которому подключается данное устройство. 2 с.и 2 з.п. ф-лы, 9 ил. 8

+ о

ZP+

f/

Е2

Фиг.1

/

#0f

У

.

DJL V

о

VV96WI

(p

a 31

P с/зп

(3

П зоп

ftn (S

V7

(0

3 Jl

a i

гъп&

/

4

ь-°

и $

7

dD-i

7

za

13

i

iО I

-d2

$

а

-fefr

; i

а

&

3

- 4

II

,Ј

Г4 ч

LJ

1 1 i

I

s

с

о

м

Редактор А.Лежнина

Фиг.9

Составитель Г.Терешина Техред М.Дидык Корректорн.Король

Заказ 1525

Тираж 480

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

,- а

Подписное