Ключевой генератор Советский патент 1992 года по МПК H03K17/60 

Изобретение относится к импульсной технике и предназначено для использования в качестве ключевых генераторов, конверторов в импульсных источниках вторичного электропитания и других радиотехнических устройствах большой и средней мощностей.

Известны ключевые генераторы,содержащие формирователь импульсов и оконечные каскады на полевых транзисторах, выполненные по двухтактным или по полумостовым схемам. Для устранения скзозных токов, протекающих через ключевые элементы в известных устройствах использованы демпфирующие дроссели, включенные между транзисторами (пат. США 4626715), либо НС-цепи, обеспечивающие задержку включения транзисторов, Известные технические средства позволяют обеспечить надежную работу ключевых генераторов, выполненных ia полевых транзисторах, без существенного увеличения мощности потерь. Это обстоятельство объясняется высоким быстродействием полевых транзисторов и, в частности, малым фронтом включения даже при наличии на их входе интегрирующей цепи.

Недостатком известных устройств является ограниченная мощность канала ключевого генератора на полевых транзисторах и недостаточная энергетическая эффективность вследствие наличия конечного сопротивления их канала в открытом состоянии. Так, на отечественных полевых транзисторах, например типа 2Г1 922А, может быть выполнен ключевом генератор по полумостовой схеме с максимальной выходной мощностью до 300 ВА при КПД порядка 80...85%. Такие генераторы ь -олосе рабочих частот до 200...400 .про-)Гры заьот аналогичным генераторам, выполненным на биполярных транзисторах. Так, например, ключевой генератор на транзисторах 2Т 856 А может развивать выход |ую мощность до 1 кВАпри КПДдо90...95%. Однако такие ключевые генераторы в силу болы1 ей инерционности выключения бипол.рпых транзисторов и недостаточной крутизны их включения требуют реализации дополггительных мер для устранения сквозных токов и обеспечения их надежной и эффективной работы.

Известны ключевые генераторы с оконечными каскадами,выполненными на биполярных транзисторах, в которых устранение сквозных токов достигается за счет формирования отдельных сигналов управления каждому из ключевых элементов с задержкой фронта включения. В этом случае импульсные сигналы усиливаются раздельными предварительными усилителями и требуют использования отдельных звеньев ГгЗльванической развязки, что значительно усложняет схему устройства. Введение в

ключевой генератор, выполненный на биполярных транзисторах, демпфирующих дросселей связано с существенными потерями мощности и с дополнительным выбросом напряжения на закрытых ключевых элемен0 тах, что приводит к ухудшению энергетической .эффективности и сказывается на понижении надежности работы устройства. Наиболее близким к предлагаемому является ключевое устройство, в котором клю5 чеоой элемент, выполненный на полевом транзисторе, управляется через усилительный элемент, также выполненный на полевом транзисторе, непосредственно от вторичной обмотки трансформатора. При

0 этом включение усилительного элемента в цепь, управления мощным ключевым элементом позволяет обеспечить задержку его включения, требуемую для устранения сквозных токов.

5Устройство-прототип содержит формирователь импульсов, прямой и инверсный выходы которого подключены к первичной обмотке трансформатора, вторичные обмотки которого через усилительные элементы

0 подключены к входам управления ключевых элементов, вкл.юченных последовательно между шинаг-ш электропитания.

Ус ройство-прототип работает следующим образом. Формирователь импульсов

15 «Ьормирует пряму 0 и инверсную импульсHyio последовательность типа меандр зада1||10й частоты и уровнем мощности, достаточным ,цля переключения ключевых э;;емп1пог. Эта импульсная последовательо ность передается через импульсный трансформатор и усилительные элементы и поступает на входы управления ключевыми з.пементами. Соответствующие выводы втор1П;ных обмоток подк/почены также ко входа.м управления усилительных элементов, выполненных на полевых транзисторах. Вследствие задержек включения усилительных элементов,обусловленных сопротивлением MX входной цепи и емкостью затвсУра,

0 формируется задержка включения ключегзых элементов, что обеспечивает устранение сквозных токов в оконечном каскаде ключевого генератора. Выполнение ключевых элементов на полевых транзисторах позволяет обеспечить хороший фронт их включения (менее 200 мс) после формировапия задержк;-1 и тем самым уменьшить динамические потери в ключевых приборах.

Недостатком устройства-прототипа является ыедостаточнэя мощность ключевого

генератора и сравнительно низкая его эффективность из-за сопротивления канала открытых полевых транзисторов. Ключевой генератор, выполненный по известной схеме на полевых транзисторах типа 2П 901 в усилительных элементах и транзисторах 2П 922А, используемых в качестве ключевых элементов, позволяет обеспечить выходную мощность на согласованную резонансную нагрузку до 250 Вт при КПД порядка 80%. Необходимо отметить, что параллельное включение полевых транзисторов в ключевых элементах для увеличения выходной мощности генератора приводит к ухудшению массогабаритных характеристик устройства, его удорожанию и, в конечном счете, к понижению надежности вследствие увеличения количества элементов. В случае использования в оконечном каскаде устройства прототипа биполярных транзисторов (например типа 2Т 841А, 2Т866А) для устранения сквозных токов необходимо обеспечить задержку их включения порядка 0,2...0,8 МКС, что приводит к увеличению длительности фронта включения и соответственно к росту потерь мощности. Так, на частотах переключения порядка 100...200 кГц в известном устройстве при выходной мощности не более 500 Вт КПД не превыша.ет 75%. Использование в качестве усилительных эл.ементов полевых транзисторов при применении ключевых элементов на биполярных транзисторах препятствует введению диодной обратной связи и соответственно не дает возможности обеспечить ненасыщенный режим работы транзисторов оконечного каскада.

Цель изобретения - повышение надежности при увеличении выходной мощности ключевого генератора.

Поставленная цель достигается в устройстве, содержащем формирователь импульсов, подключенный прямым и инверсным выходами к первичной обмотке трансформатора, первая и вторая вторичные обмотки которого соединены первыми выводами с первыми выводами первого и второго ключевых элементов, входы управления которых через первый и второй усилительные элементы подключены к вторым выводам первой и второй вторичных обмоток трансформатора, причем первый и второй ключевые элементы включены последовательно между шинами электропитания, а точка их взаимного соединения является выходом устройства, посредством введения в его состав первого и второго фильтров нижних частот, первого и второго диодов, выполнения усилительных и ключевых элементов на биполярных транзисторах

и снабжения вторичных обмоток трансформатора повышающими отводами, выводы которых подключены к входам первого и второго фильтров нижних частот, выходы которых подключены к входам управления первого и второго усилительных элементов и через первый и второй диоды соединены с вторыми выводами первого и второго ключевых элементов.

Применение в ключевом генераторе новой совокупности блоков и связей позволяет обеспечить повышение мощности за счет использования силовых биполярных транзисторов, устранить сквозные токи и уменьшить динамические потери мощности на переключение при противофазном управлении ключевыми элементами. Предлагаемая совокупность блоков и связей в устройствах рассматриваемого класса ранее не использовалась и является новой. Причем отличительные существенные признаки заявляемого технического решения позволяют улучшить основные технические характеристики ключевого генератора, а именно повысить его надежность при повышении энергетической эффективности. Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критерию существенные отличия.

На чертеже приведена структурная схема предлагаемого ключевого генератора.

Ключевой генератор содержит формирователь 1 импульсов, трансформатор 2, усилительные элементы 3 и 4, ключевые элементы 5 и 6, фильтры 7 и 8 нижних частот и диоды 9 и 10,

Формирователь 1 предназначен для формирования импульсной последовательности типа меандра заданной частоты и требуемого уровня мощности, достаточного для возбуждения через трансформатор 2 и усилительные элементы 3, 4 ключевых элементов 5, 6. Формирователь 1 может быть выполнен на задающем генераторе и двухтактном либо мостовом предварительном усилителе.

Трансформатор 2 предназначен для гальванической развязки и согласования выхода формирователя с входами управления ключевых элементов 5, 6. Трансформатор 2 содержит две противофазные вторичные обмотки, снабженные дополнительными повышающими отводами. Как правило, для эффективного возбуждения ключевых элементов 5, 6, выполненных на биполярных транзисторах, через биполярные транзисторы усилительных элементов 3, 4 достаточно иметь амплитуду импульсов на основных выводах вторичных обмоток порядка ...5 В. При этом максимальная

ве/1ичииа тока вторичных обмоток определяется соотнои)ением

нмакс

(1)

Змгкс /JMVIH

где 1имакс максимальный выходной ток

Нмакс

ключевого генератора;

-минимальный коэф(п1циентусиления по току биполярных транзисторов клнэчевых элементов 5, 6.

Усилительные элементы 3, 4 обеспечивают регулировку входного тока управлег;ия биполярными транзисторами ключевых элементов 5, 6, а также служат для достижения требуемой задержки их включения при минимальной длительности фронта выходных имг1ульсов ключевого генератора. Усилителы- ые элементы выполняются на биполярных транзисторах с высокими импульсными характеристиками, большим коэффициентом усиления по току м должны бьггь рассчитаны на передачу максимального токе возбуждения силовых биполярнь х транзисторов. Регулировка величины тока возбуждения обеспечивается за счет vicпользования диодной обратной связи через диоды 9, 10, включенной между входами усилительных элементов 3, 4 и коллекторными выводами силовых биполярных Tpai-i3Hсторов ключевых элементов 5. 6. этом потенциал на базе силовых транзусторов в открытом состоянии не npeBbiujacr потенциала коллектора, чем обеспечиваете; их работа в ненась 1ценном режиме. Включеiine усилительных элементов, охвачен|1ых диодной обратной во входную цепь силовых транзисторов; позволяет обес течить протекание тока через вторичнье обм о т к и т р а н с ф о р м а тора 2, м и н и м а /i ы -: с ,:,остаточного для пoддe | :;al:vя силопьх TpaH3iC:оров в открытом состоянг-,м при остаточном напряжении i...2 В

i. Г t 1 .. Ul(2)

- - .-ji

Ус 1лите;1ьные элементь: 3, t ,л,опол;-;ь1тельно содержат диоды, включенные паралл е л ь I. о т р а н 3 и с т о р а м, о б е с п е ч и в а ю ui и е и|;-ованное запирание силовых трзнзнCTopof. npii отрицательном напряжении на втори1иых обмотках трансформатора. При частотах коммутации до 100...200 кГи, R r aчесуве биполярных транзисторов усипительных элементов можно рекомен/1овать использование транзисторов типа 2Т972А. имеьэш,их коэффициент усиления по току /) bio менее 100 и ггтаничную частоту более 10 МГц. В качестве диодов обратной связи и /iiiOAOB для фор0ированного выключения в состазе усил11телы1ых элементов могут быть использованы диоды типа 2Д212А.

Фильтры 7, 8 нижних частот предназначены для обеспечения задержки включения транзисторов усилительных элементов 3 и 4 и соответственно силовых транзисторов ключевых элементов 5, G, на время г , достаточное для надежного запирания ранее проводящего силового транзистора. При этом после задержки должны быть обеспечены быстрое включение силового транзистора и минимальная длительность фронта выходного импульсного напряжения ключевого генератора. Фильтры 7, 8 представляют собой LC-фильтры второго порядка с добротностью около 2...3 и постоянной времени, определяемой из требуемой величины задержки вкл очеь:ия.

/т:

t/

2 ...3

(4)

На вход фильтров 7, 8 поступает напряжение с дополнительных отводов вторичных обмоток трансформатора, величина которого составляет около 8...10 В (т.е. вдвое больше чем напряжение на основном выводе вторичной обмотки). Величина резисторов фильтров 7, 8 выбирается из условия обеспечения достаточного значения входного тока усилительных элементов

У2/Н 212макс// 4ин.(5)

где /JWHH

минимальный коэффиц.иент пере,п,ач1-1 по току транзисторов усилительных элементов.

Вклоченме фильтров такого тина по входу усил ;телы-1ых элементов гюзволяет обеспечить требуемую задержку включения си.(ювых транзисторов в зависимости от их 1ипа в диапг зо:- е г 0,3...1,5 мкс при длигельности фронта вк.лючения Тф 0.05...0,3 икс:

Ключевые элеменгы 5, 6 выполняются на си;ювых биполярных транзисторах, например типа 2Т866А, 2Т841А, включенных в гиллумостовую схему ключевого генератора, и Г1редназмачеиы для ключевого усиления по мощности симметричной импульсной последовательности. Причем в предлагаемом устройстве обеспечивается использование силовых биполярных транзисторов в ieнaсыи1,енном режиме при обеспечении задер ; к и и X в к л ю ч е н м я , чем д о с т s-t г а е т с я |13,де;кная и эффективная работа ключевого генератора при выходной мощности до 800... 1000 Вт.

Предлагаемое устройство работает елеДУЮ1.ЦИМ образом.

Формирователь 1 импульсов формирует две противофазные импульсные последовательности типа меандра, поступающие на первичную обмотку трансформатора 2. При

Изобретение относится к импульсной технике и предназначено для использования в качестве ключевых генераторов, конверторов в импульсных источниках вторичного электропитания и других радио9'^технических устройствах большой и средней мощностей. Ключевой генератор содержит формирователь импульсов 1, транс- Форматор 2, два усилительных 3, 4 и два ключевых 5. 6 элемента, два фильтра 7, В нижних частот, два диода 9,10, а ключевые и усилительные элементы выполнены на биполярных транзисторах. Такая совокупность блоков и связей обеспечивает противофазное управление ключевыми элементами через один трансформатор при обеспечении задержки включения ключевых элементов, достаточной для устранения сквозных токов, при фронтах включения не более 0,1-0,2 мкс. Это позволило повысить энергетическую эффективность и обеспечить надежную работу ключевого генератора. 1 ил.(ЛсXI00О00о