Однотактный транзисторный преобразователь Советский патент 1993 года по МПК H02M1/08 

00

ю VJ VI

О

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при разработке источников вторичного электропитания переключающего типа.

Цель изобретения - повышение КПД за счет уменьшения статических потерь в силовом ключе во включенном состоянии транзистора и динамических потерь при включении силового транзистора.

На фиг.1 представлена схема устройства; на фиг.2 - временные диаграммы, пока- зывающие сравнительный анализ по временам включения, рассасывания избыточного заряда, формирования положительного фронта коллекторного напряжения и напряжения статических потерь во включенном состоянии.

Устройство однотактного транзисторного силового ключа содержит силовой транзистор 1, управляющий трансформатор 2, первую вторичную обмотку 3 управляющего трансформатора 2, ограничительный резистор 4, вторую вторичную обмотку 5 управляющего трансформатора 2, первый диод 6, дроссель насыщения 7, состоящий из двух магнитосвязанных обмоток 8 и 9, второй диод 10, третью вторичную обмотку 11 управляющего трансформатора 2.

Устройство работает следующим образом.

При появлении на первой вторичной обмотке 3 управляющего трансформатора 2 прямоугольного импульса положительной полярности (интервал времени ti-t4, фиг.2а) на его второй 11 и третьей 5 вторичных обмотках и на обмотках 8 и 9 дросселя насыщения 7 наводятся ЭДС, полярность которых указана на фиг.1 без скобок, Под воздействием прямоугольного импульса положительной полярности переход база- эмиттер силового транзистора 1 смещается в прямом направлении и через него начинает протекать базовый открывающий ток JGH, величина которого ограничивается резистором 4. В, результате этого начинается про- цесс открывания силового транзистора 1 (интервал времени ti-t2, фиг,2) и через него начинает протекать коллекторный ток, В это же время под воздействием ЭДС, наведенной в обмотке 11 и ЭДС, наведенной в обмотке 3, начинает протекать ток по следующей цепи: начало обмотки 11 управляющего трансформатора 2 - обмотка 8 дросселя насыщения 7 - первый диод 10 - переход коллектор-эмиттер силового транзистора V - конец обмотки 3. В результате протекания этого тока в обмотке 8 дросселя насыщения 7 возникает ЭДС, которая вместе с падением напряжения на открытом

переходе диода 10 компенсирует ЭДС, наводимую в обмотке 11. В это время ток Е цепи поддерживается за счет открытого состояния диода 10. Компенсация ЭДС обмотка

11 управляющего трансформатора 2 предотвращает смещение перехода база - коллектор силового транзистора 1 в обратном направлении, т.е. предотвращает активный режим работы силового транзистора 1. В реО зультате этого силовой транзистор 1 входит в режим насыщения (переход база - коллектор смещается в прямом направлении) и поддерживается в этом режиме до тех пор, пока дроссель 7 не войдет в режим насыще5 ния (интервал времени t2-ta фиг.2). Вхождение силового транзистора 1 в режим насыщения при включении улучшает отрицательный фронт импульса коллекторного напряжения (уменьшает интервал времени

0 ti-t2, фиг.2), уменьшает потери мощности на включение (повышает КПД), уменьшает мгновенную мощность, рассеиваемую на силовом транзисторе 1 при включении, т.е. повышает надежность и КПД. Нахождение

5 силового транзистора 1 в период времени t2-t3 в режиме насыщения уменьшает статические потери мощности на силовом транзисторе 1 по сравнению с прототипом за счет уменьшения падения напряжения на

0 переходе база-коллектор силового транзистора 1. Количество витков первой обмотки 8 и индуктивность первой обмотки U дросселя насыщения 7 выбираются такими, чтобы насыщение дросселя происходило за

5 время меньше половины периода, т.е. количество витков обмотки первой обмотки 8 и индуктивность LS дросселя насыщения 7 будут меньшими количества витков и индуктивности второй вторичной обмотки 5

0 управляющего трансформатора 2. Кроме этого, количество витков первой обмотки 8 индуктивность дросселя насыщения 7 выбираются такими, чтобы ЭДС обмотки 8 дросселя насыщения 7 была меньше ЭДС

5 второй вторичной обмотки 11 управляющего трансформатора 2 на падение напряжения на диоде 10 с целью обеспечения протекания тока через дроссель насыщения 7, т.е. ток через дроссель насыщения 7 и

0 насыщенный режим работы силового транзистора 1 в интервале времени t2-ta (фиг.2г) обеспечиваются за счет открытого состояния диода 10. После насыщения дросселя насыщения 7 (момент времени ta, фиг.2) на5

пряжение на нем становится равным нулю. Тогда под воздействием ЭДС на второй вторичной обмотке 11 переход база-коллектор силового транзистора 1 смещается в обратном направлении и он входит в ненасыщенный (активный) режим работы (интервал

времени t3-t4, фиг.2), который позволяет значительно уменьшить время рассасывания избыточного заряда (интервал времени t4-ts, фиг.2), длительность положительного фронта (интервал времени ts-te, фиг,2), и как следствие, позволяет уменьшить потери мощности на выключение в интервале времени t4-t5, фиг,2) и мгновенную мощность в этом интервале времени. Т.е. в этом интервале времени предлагаемое устройство со- храняет все преимущества прототипа.

При изменении тока коллектора силового транзистора 1 устройство ненасыщенного ключа обеспечивает перераспределение тока базы силового транзистора 1 и тока, протекающего через обмотку 8 дросселя насыщения 7 и диод 10, Например, с уменьшением тока коллектора силового транзистора 1 ток в его базу уменьшается, а ток через обмотку 8 дросселя насыщения 7 и диод 10 увеличивается, в результате чего дроссель быстрее входит в режим насыщения (уменьшается интервал времени t2-ta, фиг.2). Поскольку при широтно-импульсном регулировании уменьшение тока коллектора соответствует уменьшению времени открытого состояния силового транзистора 1 (интервал времени t2-t4, фиг.2), то при применении устройства в источниках вторичного электропитания, построенных на основе однотактных широтно-импульсных преобразователей, в случае изменения тока нагрузки в широких пределах функционирование предлагаемого устройства не нарушается,

ЭДС наведенная в обмотке 5 управляю- щего трансформатора 2, поддерживает диод 6 в закрытом состоянии в течение всего полупериода положительного управляющего импульса (интервал времени trt4, фиг.2) и накапливаетэнергиюдля форсированного закрывания силового транзистора 1 в течение полупериода отрицательного управляющего импульса (интервал времени t4-ty, фиг.2,а). Т.к. для достижения большей эффективности рассасывания избыточного за- ряда в переходе база-колл%ктор силового транзистора 1 во время полупериода отрицательного управляющего импульса (увеличения запирающего тока по переходу база-коллектор) обмотка 5 управляющего трансформатора 2 выполняется с большим количеством витков по сравнению с обмоткой 11 управляющего трансформатора 2 (напряжение на обмотке 11 имеет величину порядка 2 В для достижения оптимального ненасыщенного режима с точки зрения величины статических потерь и времени рассасывания избыточного заряда, т.к. дальнейшее увеличение напряжения на обмотке 5 лишь незначительно уменьшает

время рассасывания избыточного заряда и длительность положительного фронта коллекторного напряжения при возрастании статических потерь, а напряжение на обмотке 11 может приближаться к напряжению питания силового транзистора 1), а обмотка 8 дросселя насыщения 7 с целью обеспечения насыщения дросселя и открытого состояния диода 10 имеет меньше количество витков и индуктивность по сравнению с обмоткой 11 управляющего трансформатора 2 (напряжение на обмотке 8 дросселя насыщения 7 меньше напряжения на обмотке 11 управляющего трансформатора 2 на величину падения напряжения на диоде 10) при том же материале и типоразмере сердечников, то размагничивающая обмотка 9 дросселя насыщения 7 будет иметь небольшое количество витков и незначительную индуктивность по сравнению с обмоткой 5 управляющего трансформатора 2. При больших значениях напряжения на обмотке 5 управляющего трансформатора 2 ток рассасывания избыточного заряда из перехода база-коллектор силового транзистора 1 во время полупериода отрицательного управляющего импульса может превышать ток базы силового транзистора 1 и ток через обмотку 8 дросселя насыщения 7 в несколько раз, поэтому количество витков и индуктивность размагничивающей обмотки 9 дросселя насыщения 7 не будут превышать количества витков и индуктивности его обмотки 8. Напряжение на размагничивающей обмотке 9 дросселя насыщения 7 будет незначительным по сравнению с напряжением на обмотке 5 и в результате этого размагничивающая обмотка 9 дросселя насыщения 7 не будет влиять на функционирование обмотки 5 во время как положительного, так и отрицательного управляющего импульсов.

При появлении на обмотке 3 прямоугольного импульса отрицательной полярности (интервал времени t4-t, фиг,2,а) на второй 11 и третьей 5 обмотках управляющего тра форматора 2 и обмотках 8 и 9 дросселя насыщения 7 наводятся ЭДС, полярность которых на фиг.1 указана в скобках.

Под воздействием ЭДС, наведенной в обмотке 3 управляющего трансформатора 2, силовой транзистор 1 закрывается по переходу база-эмиттер.

Под воздействием ЭДС, наведенной в обмотке 11 управляющего трансформатора 2, силовой транзистор 1 закрывается по переходу база-эмиттер.

Под воздействием ЭДС. наведенной в обмотке 11 управляющего трансформатора 2 происходит форсированное закрывание

диода 10 вследствие того, что напряжение на обмотке 11 больше напряжения на обмотке 8 дросселя насыщения 7, что способствует форсированному закрыванию перехода база-коллектор силового транзи- стора 1,т.к. процесс рассасывания неосновных носителей диода 6 не будет влиять на процесс рассасывания неосновных носителей в переходе база-коллектор силового транзистора 1.

Под воздействием ЭДС, наведенной в обмотке 5 диод 6 открывается. В результате к переходу база-коллектор силового транзистора 1 прилагается обратное напряжение, способствующее быстрому рассасыванию неосновных носителей в этом переходе (уменьшение времени рассасывания избыточного заряда), уменьшению потерь мощности на выключение в интервале времени t4-te (фиг.2), т.е. повышение КПД, уменьше- нию длительности положительного фронта (интервал времени ts-t6, фиг.2г), уменьшению мгновенной мощности на этапе выключения (повышению надежности). Таким образом введение размагничивающей об- мотки 9 дросселя насыщения 7 не влияет на работу форсирующей обмотки 5 управляющего трансформатора 2. Под воздействием ЭДС, наведенной в обмотке 5 управляющего трансформатора 2-во время действия уп- равляющего импульса отрицательной полярности, происходит размагничивание дросселя насыщения 7 за счет протекания через его обмотку 9 тока рассасывания неосновных носителей в переходе база-кол- лектор силового транзистора 1 по следующей цепи: конец обмотки 5-обмотка 9 дросселя насыщения 7 - диод 6 - переход коллектор-база силового транзистора 1 - начало обмотки 5. Т.к. величина тока расса- сывания неосновных носителей в переходе база-коллектор будет определяться величиной напряжения обмотки 5 и сопротивлением цепи, по которой протекает этот ток, то при больших значениях напряжения на обмотке 5 ток рассасывания может превышать ток базы и ток через обмотку 8 в несколько раз, что гарантирует полное размагничивание дросселя насыщения 7 даже при меньшем количестве витков его размагничивающей обмотки 9 по сравнению с его основной обмоткой 8. Наличие форсирующей обмотки 5 управляющего трансформатора 2 позволяет в некоторой степени уменьшить время рассасывания избыточного заряда и формирования положительного фронта коллекторного напряжения по сравнению с прототипом.

При поступлении импульса управления положительной полярности процессы, происходящие в устройстве, повторяются.

Формула изобретения Однотактный транзисторный преобразователь, содержащий управляющий трансформатор с двумя вторичными обмотками, первая из которых началом соединена с базой силового транзистора и концом - через резистор с эмиттером силового транзистора, а вторая концом соединена с базой силового транзистора, и первый диод, подключенный первым выводом к коллектору силового транзистора, отличающий- с я тем, что, с целью повышения КПД, введен дроссель насыщения с двумя обмотками, первая из которых началом соединена с вторым выводом первого диода и концом объединена с началом второй вторичной обмотки управляющего транзистора, а вторая концом соединена через введенный второй диод с коллектором сило,вого транзистора и началом соединена с концом введенной в управляющий трансформатор третьей вторичной обмотки, начало которой подключено к базе силового транзистора.

UMVJ

Lt

Использование: преобразование постоянного напряжения в переменное для систем вторичного электропитания, электропривода и автоматики. Сущность изобретения: силовой транзистор 1 коммутируется при изменении полярности напряжения на первой вторичной обмотке 3 управляющего трансформатора 2. Вторая вторичная обмотка 5 этого трансформатора осуществляет автоматическое регулирование глубины насыщения силового транзистора 1 с помощью дросселя насыщения 7 и первого диода 6. Третья вторичная обмотка 11, имеющая на один-два порядка большее число витков, чем вторая вторичная обмотка 5, размагничивает дроссель насыщения 7 и форсирует запирание силового транзистора 1 по переходу коллектор-база благодаря малому числу витков обмотки 9 этого дросселя. 2 ил.