Устройство для управления транзисторами переключающей схемы Советский патент 1980 года по МПК H02P13/18 

.. Изобретение относится к преобраТ зовательной технике и может быть использовано для улучшения энергетических характеристик транзисторных переключающих схем. Известно устройство для управлеяи транзисторами переключающих схем, в состав которого входят m пар проти вофазно работаквдих транзисторов 1. Недостатком устройства является то, что оно не позволяет устранить сквозные токи в транзисторах переключающей схемы, и, следовательно, последняя, управляемая- таким ycTpoftством обладает понихсенными энергетическими показателями. Наиболее близким по технической сущности является устройство .аля управления транзисторами переключающей схемы, в состав которой входят m пар противофазно работающих транзисторов, содержащее распределитель импульсов задающего генератора и уси лительно-развязывающйй узел, выходам через ограничивающие резисторы связанный с управляющими цепями транзисторов переключающей схемы, а вхоДс1ми подключенный к выходам распреде лителя импульсов задающего генератора 2 . Недостатком такого устройства является то, что оно не позволяет , устранить сквозные токи в транзисторах переключающей схемы, что имеет место, если отсутствуют паузы мелсду выключением и включением противофазно работающих транзисторов, а также перенапряжения, что .имеет место при введении фиксированной паузы межДу включениём йвык.гаочёнйем противофазно работающих транзисторов. Энергетические характеристики перек.пюча1Ш1ей схемы, управляемой устройством, невысокие. Цель изобретения - улучшение энергетических показателей переключающей схемы, в состав которой входят m пар противофазно работающих,транзисторов, путем устранения сквозных токбв и перенапряжений в транзисторах пёрёклю гающей схемы. Поставленная цель достигается тем, что устройство для управления транзисторами переключанедей схемы, в. uoctaB кОто150й входят т, пар противофаэно работающих транзисторов, содержащее распределитель импульсов SE ajoir

щего генератора и усилительно-развязывающий узел, выходами через огрничивающие резисторы связанный с управляющими цепями транзисторов переключающей схемы, а входами подключенный к выходам распределителя импульсов задающего генератора дополнительно снабжено блоком задержк импульсов управления, 2т входов коTCJjpfioJTO подключены параллельно транзисторам переключающей схемы, 2т выходов - параллельно управляющим цепям указанных транзисторов, а К входов соединены с выходами распределителя импульсов задающего генератора ,

Блок задержки импульсов управления, например, для однофазного мостового инвертора напряжения содержи вспомогательный усилитель мощности с трансформаторным выходом, входы которого образуют одни из К входов блока задержки импульсов управления узел контроля состояния транзисторо переключающей схемы, включающий в себя два разделительных трансформатора, первичная обмотка каждого из которых через резисторы подключена параллельно первичной обмотке выходноГо трансформатора вспомогательного усилителя мощности, а вторичные обмотки, последовательно соединенные с диодами,, образуют 2т входов блока задержки импульсов управления, причем точки соеди,нения первичных обмоток разделительных трансформаторов с резисторами подключень ко входам нормирующих схем, выходы которых связаны с тактовыми входами триггеров, управляющие входы которых образуют другие из К входов блока задержки импульсов управления, а также два дополнительных усилителя мощности, входами подключённые к выходам указанных триггеров .

На фиг. 1 изображена функциональная схема описываемого устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие принцип ее работы; на фиГо 3 - диаграммы, поясняющие формирование импульсов для управления транзисторами переключающей сХемы.

Предлагаемое устройство для упраления транзисторами переключающей схемы 1 (на чертеже - фрагмент), вйполненной, например, в виде однофа зногр мостового инвертора напряжения г состоящего из двух идентичных стоек 2. (на чертеже - одна стойка), последовательно соег иненных ключей 3, 4 с двухсторонней проводимостью, в каждой из которых имеется по одно паре (т.е„ для одной стойки т-1 - случай 5 который для простоты в дальнейшем мы будем рассматривать) противофаз ных работающих транзистор ов 5 и б(, содержит распределитель 7 импульсов задающего генератора В и

|усилительно-развязывающий узел 9, выходами, образованными вторичными обмотками выходного трансформатора 10, через ограничивающие резисторы 11 и 12 связанный с управляющими цепями транзисторов 5 и б переключающей схемы 1, а входами подключенный к выходам 13, 14 распределителя 7 . импульсов задающего генератора 8. Кроме того, в состав устройства входит блок 15 задержки импульсов управления, два (при ) входа 16, 17 и 18, 19 которого включены параллельно Транзисторам 5, 6 переключающей схемы 1, два выхода 20, 21 и 22, 23 - параллельно управляющим цепям указанных транзисторов, а К входов 24, 25 и 26, 27 соединены с выходами 13, 14 и 28, 29 соответственно распределитель 7 импульсов задающего генератора 8. Число К в общем случае зависит от числа пар m противофазно работающих транзисторов. Так при , , пои , и т.д

Блок 15 задержки импульсов управления при содержит вспомогательный усилитель 30 мощности, выполненный на транзисторах 31 и 32, входы 26 и 27 которого образуют одни из К входов блока 15 задержки импульсов управления, узел 33 контроля состояния транзисторов 5 и б, включающий в себя разделительный трансформатор 34, первичная обмотка которого через резисторы 35, 36 подключена параллельно первичной обмотке выходного трансформатора 37 вспомогательного усилителя мощности 30, а вторичные обмотки, последовательно соединенные с диодами 38 и 39, образуют два входа 16, 17 и 18, 19 блока 15 задержки импульсов управления. Точки соединения первичной обмотки разделительного трансформатора 34 с резисторами 35 и 36 подключены соответственно КО входам 40 и 41 нормирующей схемы 42, состоящей из двух цепей, образованных из последовательно соединенны стабилитрона 43 с резистором 44 и стабилитрона 45 с резистором 46 и схемы 47 И, входами подключенной к точкам соединения указанных стабилитронов с резисторами. Выход нормирующей схемы 42 связан с тактовым входом триггера 48, управляющие входы которого образуют другие из К входов 24, 25 блока 15 задержки импульсов управления.

К выходам триггера 48 подключен дополнительный усилитель 49 мощности выполненный на транзисторах 50 и 51, к базаколлекторным переходам которых подключены диоды 52, 53 обратной йвяЗи. Вторичные обмотки выходного трансформатора 54, последовательно соединенньге с диодами 55 и 56, образуют два выхода 20, 21 и 22, 23 блока задержки импульсов управления. Питание устройства осуществляется

:от блока 57 питания. Устройство для управления транзисторами однофазного мостового инвертора напряжения, в состав которого входит две пары противофазно работающих т)анзисторов, содержит два разделительных трансформатора 34, две нормирующие схемы 42, два, триггера 48, а также два дополни.тельных усилителя 49 мощности.

Принцип исключения сквозных токов и перенапряжений рассмотрим на примере работы устройства для управления тра:нзисторами одной стойки однофазного мостового инвертора напряжения.

Пусть на обмотках выходного трансформатора 10 формируется напряжение 58 и 59. При этом ключ 3 открыт в течение времени 0-. tg , а ключ 4 закры Управление транзисторами 31, 32 вспомогательного усилителя мощности 30 осуществляется с выхода 28, 29 распределителя, импульсов 7. При этом на вторичных обмотках разделительног трансформатора 34 в режиме холостого хода будет формироваться соответственно напряжение 60 и 61, причем в момент t будет открыт транзистор 32, а транзистор 31 закрыт. Тогда один из выводов резистора 36 подключен к минусовой шине питания усилителей и логических схем, а в точке контроля, образованной соединением первичной обмотки разделительного трансформатора 34 и резистора 36 будет формироваться напряжение, показанное на диаграмме 62. До момента t,транзисто 32 закрыт и в точке контроля формируется напряжение, равное удвоенному напряжению питания усилителей мощности. В момент ц открывается транзистор 32, на вторичной обмотке разделительного трансформатора 34 меняется полярность напряжения,, и через диод 38 и открытый транзистор 5 клю-, ча 3 протекает ток, ограниченный резисторами 35 и 36. За счет протекания тока на резисторе 36 выделяется импульс напряжения, показанный на диаграмме 62, в течение времени ,,. В момент tj меняется полярност напряжения на вторичных обмотках выходного трансформатора 10. При этом в течение времени , будет происходить рассасывание неосновных носителей в области базы, и транзистор 5 ключа 2 будет находиться в открытом состоянии. В момент t, падение напряжения на транзисторе 5 ключа 2 станет больше напряжения вторичной обмотки разделительного трансформатора 34, и прекратится протекание тока через диод 38, а следовательно, закончится формирование импульса на резисторе 36. Аналогично происходит формирование импульсов 63 на резисторе 35 в момент выключения транзистора 6 ключа 4. Для исключения сквозного тока и пepeнaпpяжeниJй

ё стойке инвертора ключами 3 и 4 надо управлять таким образом, чтобы только после выключения одногр транзистора включался йругой. В данном случае транзистор 6 ключа 4 должен быть включен в момент tj, т.е. момент его включения должен быть задержан на время . Полученные импульсы задержки с резисторов 35, 36 можно былр бы использовать для управления однотактными усилителями мощности. Однако, тогда потребовался бы на каждый силовой ключ индивидуальный основной, усилитель мощности. Задача использования одного обще e ,го усилительно-развязывающего узла для управления/всеми транзисторами решается путем введения дополнительного усилителя мощности 49, управляемого триггером 48, на тактовый вход которого поступают импульсы напряжения с резисторор 35, 36 через нормирующую схему 42. При этом напряжения на входах логического элемента 47 и на тактовом входе триггера 48 соответственно показаны на диаграммах 64, 65, 66. На управляющие входы триггера 48 поступают импульсы напряжения с выходов 13, 14 разделителя имп 1льсов 7, связанных со входами усилительно-развязывающего узла 9. 0 При этом на выходах триггера 48 формируются импульсы напряжения, представленные на диаграммах 67 и 6.8/ и управление дополнительным усийителем мощности 49 по отношению к уси5 лительно-развязывающему узлу 9 про.исходит с задержкой на интервал времени, равный tg-tjo

Рассмотрим формирование управляю адего напряжения ,транзистором 6 клюл ча 4. Напряжения на вторичных обмотках выходных трансформаторов 10 и 54 усилительно-развязывающего узла 9 и дополнительного усилителя 49 мощности соответственно показаны на f диаграммах 69 и 70 Амплитудное значение напряжения импульсов 70 несколько превышает амплитудное значение импульсов напряжения 69 и поэтому в момент времени t., , когда на вторичной обмотке трансформатора 10 усили тельно-раэвязывагацего узла 9 возникает отпирающее напряжение для транзис -ора 6 ключа 4, транзистор остается в закрытом состоянии, так как . к его управляющей цепи через открытый диод 56 прикладывается запираго- щее напряжение со йторичной обмотки трансформатора 54 дополнительного усилителя 49 мощности. В момент tj сответствующий выходу транзистора 0 5 ключа 3 в активную область, напряжение на вторичной обмотке транзистора 54 дополнительного усилителя 49 мощности меняет полярность , диод 56 закрывается, и к управляющей цепи транзистора 6 ключа 4 приклг дывается Отпирайщее напряжение со вторичной обмотки трансформатора 10 усилительно-раэвязывающего узла 9. В момент t, когда напряжение на вторичной обмотке трансформатора 10 полярность, диод 56 остаётся запертым, и к транзистору б ключа 4 ггри7 кладнвается запирающее напряжение со вторичной обмотки трансформатора 10V В йЬмёйт t меняется полярность напряжения на вторичной обмотке трансформатора 54 дополнительного усилителя 49 мовдйости, и к правляю ЩёМУ переходу Т ранзистора б ключа 4 ШТ«ЛГдабаё ея;эалйр-аю1Ц-ёе-н-а-Н15яжение через открытый диод 56 со вторичной обмотки трансформатора 54. Таким об разом, на управляющем переходе транзистора б формируется напряжение, показанное на диаграмме 71. Использование в описанном устройстве блока задержки импульсов управ ления выгодно отличает предлагаемое 7стрбйШ- 6йлГ-5 Й сэа:влеш1Я ранзйсто рйми переключающей схемы от указан НЪГГ) прототипа, так как .полностью устраняются сквозные токи и перенапряжения в переключающей схеме, управ ляемой таким устройством. Причем, э преимущество приобретает особую ценность, если учесть., что переключаю щая схема, управляемая предлагаемым устройством, может работать на изменяющуюся по величине нагрузку. При испытании макета переключающей схемы в качестве которой был выбран однофазный МО сотовой инвертор нaпt)яжёния мощностью 300 НА, было установлено, что при управлении инвертора от пред лагаемого устройства его КПД увеличился на 9% по сравнению стем,что ййёй ийвертор при управлений его от известного устройства. Ток холостого хода уменьшился в 40 раз (с 80 мА до 2 мА) Нртй частоте переключения силовых ключей 400 Гц и в 36 раз (с 110 мА до 3 мА) при частоте переклю.чения силовых ключей 1000 Гц. В результате эксперимента было установ ле нб, тбк холостого хода в испытуемом инверторе, управляемом предлагаемЕлм устройством, обусловлен лишь только потерями мощности в выходном трансформаторе и обратными токами силойыхдиодов и транзисторов ключей инвертора. . В результате существенно улучшаются .энергетичеСкйе характеристики пёреключающей схемы за счет уменьшения динамических параметров в силовых транзисторах, особенно в тех случаях, когда в процессе работы имеет место изменение тока нагруэки вширокйм диапазоне. За счет исключения перенапряжеНИИ на транзисторах, повыгаается также надежность переключающей схемы. л . Формула изобретения 1.Устройство для управления транзисторами переключающей схемы, в Состав которой входят m пар противофазно работающих транзисторов, содержащее распределитель импульсов задающего генератора и усилительноразвязывающий узел, выходами через ограничиваюйие резисторы связанный с управляющими цепями транзисторов переключающей схемы, а входами подключенный к выходам распределителя импульсов задающего генератора, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью улучшения энергетических показателей переключающей схемы за счет уЬ;1раненйя сквозных токов и перенапряжений в транзисторах переключающей схемы, оно дополнительно снабжено блоком задержки импульсов управления, 2rti-входов которогоподключены параллельно транзисторам переключающей схемы, 2пп выходов - параллельно упра.вляющим цепям указанных транзисторов , а к входов соединены с выходами распределителя импульсов задающего генератора. 2.Устройство по П.1, отличающееся тем, что блок задержки импульсов управления, например, для однофазного мостового инвертора напряжения содержит вспог огательный усилитель мощности с трансформаторным выходом, входы которого образуют одни из к входов блока задержки им- .. пульсов управления, узел контроля Сбстояния си.ловых транзисторов, включающий в себя два разделительных трансформатора, первичная обмотка каждого из которых через резисторы подйлючена параллельно первичной обмотке выходного трансформатора вспомогательного .усилителя мощности, а. вторичные обмотки, последовательно соединенные с диодами, образуют m входов блоказадержки импульсов управления, причем точки соединения первичных обмоток разделительных трансформаторов с резисторами подключены ко входам нормирую&дих схем, выходы которых связаны с тактовыми входами триггеров, управляющие входы которых образуют другие из К входов блока задержки импульсов управления, а также два дополнительных усилителя мощности, входами подключенные к выходам указанных триггеров.. Источники информации, принятие во внимание при экспертизе 1. Ромаш Э.М. Транзисторные преобразователи в устройствах питания радиоэлектронной аппаратуры. Энергия, М., 1975, с. 125, 129-130. 2. Пьяных.Б.Е.Исследование несимметрич.шаХ режимов преобразователя «lacTOTH с однократной модуляцией. Диссертация, на соиск. учен. степ. канд„ техн .наук,АН УсеР,К. ,1972,0.212-215.