Полупроводниковый переключательТОКА Советский патент 1981 года по МПК H03K17/60 

Изобретение относится к электроте нике и может найти применение, например, в силовых мостовых преобразователях на транзисторах для управления электродвигателями. Известны полупроводниковые переключатели тока, содержащие силовой транзистор, диоды управления, генера тор прямоугольного напряжения, управ ляняций транс орматор. с первичной обмоткой и вторичной обмоткой со средней точкой. В таких полупроводниковы переключателях тока управляющее напряжение на базе силового транзистора создается за счет выпрямления прямоугольного напряжения вторичной обмотки управляющего трансформатора. Величина тока базы силового транзистора выбирается из условия обеспечения режима насыщения силового транзистора при максимальном токе нагруз ки и минимальном коэффициенте усиления и поддерживается постоянной для всех режимов работы СП. Это приводит к существенному снижению КПД, что является недостатком таких полупроводниковых переключателей тока. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является по-лупроводниковый переключатель тока, содержащий силовой транзистор, коммутирующий трансформатор, имеющий основную обмотку со средней точкой, трансформатор обратной связи, имеющий одну первичную и две вторичные обмотки, и блок управления, при этом коллектор силового транзистора подключен к одному КЗ выводов первичной обмотки трансформатора обратной связи, другой вывод которой подключен через первый силовой диод к одной крайней точке основной обмотки коммутщ)ующего трансформатора, к другой крайней точке которой подключен второй силовой диод, при этом один вывод первой вторичной обмотки трансформатора обратной связи подключен к эмиттеру силового транзистора, а другой через первый диод управления подключен к базе силового транзистора, к которой подключен второй диод управления L2, Недостатком такого переключателя является низкая надежность из-за просадок выпрямленного тока в базовой цепи силового транзистора. Эти просадки обусловлены прохождением прямоугольного напряжения через ноль. При наличии силового транзистора с высоким быстродействием, а также, если просадка базового тока совпадает с процессом переключения силового транзистора, последний может перейти из режима насыщения в активный режим, В этом случае мгнове ная мощность, выделяемая в силовом транзисторе, может превысить допусти мую, что может привести к выходу сил вого транзистора из строя, Цель изобретения - увеличение надежности за счет устранения просадок выпрямленного тока в базовой цепи си лового транзистора. Указанная цель достигается тем, что полупроводниковый переключатель тока, содержащий силовой транзистор коммутирующий трансформатор, имеющий основную обмотку со средней тачкой, первый трансформатор обратной связи имеющий одну первичную и две вторичные обмотки, и блок управления, при этом коллектор силового транзистора подключен к одному из выводов первич ной обмотки первого трансформатора обратной связи, другой вывод которой Подключен через первый силовой диод к одной крайней точке основной обмотк коммутирующего трансформатора, к дру гой крайней точке которой подключен второй силовой диод, при этом один вывод первой вторичной обмотки первого трансформатора обратной связи подключен к эмиттеру силового транзистора, а другой через первый диод управления подключен к базе силовог транзистора, к которой подключен вт рой диод управления, снабжен вторым трансформатором обратной связи с пе вичной и четырьмя вторичными обмотк ми, первый трансформатор обратной связи снабжен третьей и четвертой дополнительными вторичными обмоткам коммутирующий трансформатор снабжен .дополнительной обмоткой со средней точкой, при этом первичная обмотка 64 второго трансформатора обратной связи одним выводом подключена ко второму силовому диоду, а другим - к коллектору силового транзистора, первая вторичная обмотка второго трансформатора обратной связи подключена одним выводом ко второму диоду управления, а другим - к эмиттеру силового транзистора, при этом дополнительная обмотка коммутирующего трансформатора вместе со вторыми, третьими и четвертыми обмотками первого и второго трансформаторов обратной связи подключены к блоку управления; блок управления снабжен источником тока, шестью коммутирующими диодами и двумя управляющими полупроводниковыми ключами, при этом вторые вторичные обмотки трансформаторов обратной связи совместно с первым и вторым коммутирующими диодами, включенными последовательно с каждой из них, образзтот . две соединенные одними концами с зем ляной шиной блока управления параллельные цепи, к которым параллельно подключена внешняя цепь первого управляющего полупроводникового ключа, третьи вторичные обмотки трансформаторов обратной связи общей точкой через внешнюю цепь второго управляющего полупроводникового ключа подключен к земляной шине блока управления, а свободными выводами через третий и четвертый коммутирующие диоды подключены к крайним точкам дополнительной обмотки коммутирующего трансформатора, средняя точка которой через источник тока подключена к земляной шине блока управления, при этом общая точка четвертых вторичных обмоток трансформаторов обратной связи подключена к земляной шине блока управления, а свободные выводы через пятый и шестой коммутируюпще диоды подключены к крайним точкам дополнительной обмотки коммутирующего трансформатора. На чертеже представлена электрическая схема предлагаемого устройства. Полупроводниковый переключатель тока содержит силовой транзистор 1, резистор 2, первьй трансформатор 3 обратной связи.с первичной обмоткой 4, первой вторичной обмоткой 5, второй вторичной обмоткой 6, третьей вторичной обмоткой 7 и четвертой вторичной обмоткой 8, второй транс- форматор 9 обратной связи с первичной обмоткой 10, первой вторичной обмоткой 11, второй вторичной обмоткой 12, третьей вторичной обмоткой 13 и четвертой вторичной обмоткой 14, первый и второй силовые диоды 15 и 16, первый и второй диоды 17 и 18 управления, коммутирующий трансформатор 19 с основной обмоткой 20 со средней точкой 21 и крайними точками 22 и 23 и с дополнительной обмоткой 24 со средней точкой 25 и крайними точками 26 и 27, блок 28 управления с управляющей клеммой 29, источником 30 тока, первым управляющим полупроводниковым ключом 31, вторым управляющим полупроводниковым ключом 32 и первым, вторым, третьим, четвертым, пятым и шестым коммутирующими диодами 33-38, выходную клемму 39 и земляную шину 40. База силового транзистора 1 подключена к резистору 2 и через первый и второй диоды I7 и 18 управления подключена соответственно к крайним точкам первых вторичных обмоток 5 и I1. Эмиттер силового тран зистора 1 подключен к выходной клем ме 39, резистору 2 и к общей точке первых вторичных обмоток 5 и 11. Кол лектор силового транзистора 1 подклю чен к общей точке первичных обмоток 4 и 10. Крайние точки первичных обм ток 4 и 10 через первый и второй сил вые диоды 15 и 16 соответственно под ключены к крайним точкам 22 и 23 основной обмотки 20. Крайние точки вто рых вторичных обмоток 6 и 12, третьи вторичных обмоток 7 и 13, четвертых вторичных обмоток 8 и 14 подключены к блоку 28 управления, при этом обща точка вторых вторичных обмоток 6 и 12 подключена к коллектору первого управляющего полупроводникового клю ча 31, а крайние точки вторых вторич ных обмоток 6 и 12 через первый и второй коммутирующие диоды 33 и 34 соответственно подключены к земляной шине 40, общая точка третьих вторичных обмоток 7 и 13 подключена к коллектору второго управляющего полупроводникового ключа 32, а крайние точки третьих вторичных обмоток 7 и 13 через коммутирующие диоды 37 и 35 соответственно подключены к крайним точкам 26 и 27 дополнительно обмотки 24, общая точка четвертых 64 вторичных обмоток 8 и 14 подключена к земляной шине 40, а крайние точки четвертых вторичных обмоток 8 и 14 через пятый и шестой коммутирующие диоды 36 и 38 соответственно подключены к крайним точкам 27 и 26 дополнительной обмотки 24. Средняя точка 25 дополнительной обмотки 24 подключена через источник 30 тока к земляной шине 40. Эмиттеры управляющих полупроводниковых ключей 31 и 32 объединены и подключены к земляной шине 40. Базы управляющих полупроводниковых ключей 31 и 32 объединены и подключены к управляющей клемме 29. Цепь нагрузки подключается к средней точке 21 , являющейся и выходной клеммой основной обмотки 20, и выходной клемме 39. Полупроводниковый переключатель тока работает следующим образом. В исходном состоянии силовой транзистор 1 закрыт. На управляющую клемму 29 подан отрицательный потенциал. Первый управляющий полупроводниковьш ключ 31 открыт, а второй управляющий полупроводниковый ключ 32 закрыт. На крайних точках 22 и 23 основной обмотки 20 и крайних точках 26 и 27 дополнительной обмотки 24 коммутирующего трансформатора 19 присутствует прямоуголь гое двуполярное напряжение высокой частоты (например 50 кГц) как в исходном состоянии, так и в рабочем режиме, трансформируемое из первичной обмотки коммутирующего трансформатора 19. В том случае, когда силовой транзистор 1 открыт, через коллектор и цепь, образованную основной обмоткой 20, первьм и вторым силовыми диодами 15 и J6 и первичными обмотками 4 и 1.0, протекает ток нагрузки. Ток нагрузки, протекая попеременно по первичным обмоткам 4 и 10, трансформируется в первые вторичные обмотки 5 и 11 соответственно и выпрямляется с помощью первого и второго диодов 17 и 18 управления. В моменты времени, при которых прямоугольное напряжение изменяет свой знак на крайних точках 22 и 23 основной обмотки 20, ток нагрузки протекает одновременно по первичным обмоткам 4 и 10 и, трансформируясь в первые вторичные обмотки 5 и 11 соответственно, поступает на базу силового транзистора 1 . Ток, поступаклций на

базу силового транзистора 1, поддерживается неизменным в течение времени, пока на управляющей клемме 29 присутствует положительный потенциал. Таким образом, введение второго трансформатора 9 обратной связи исключает возможность возникновения просадок тока в базовой цепи силового транзистора 1, что повышает надежность полупроводникового переключателя тока.

Первоначальное открывание силового транзистора 1 осуществляется следующим образом. .При подаче на управляющую клемму 29 положительного по- тенциала первый управляющий полупроводниковый ключ 31 закрывается, а второй управляювщй полупроводниковый ключ 32 открывается. Открытое состояние второго управляющего полупроводникового ключа 32 обеспечивает протекание тока от источника 30 тока по цепи, образованной дополнительной обмоткой 24, коммутирующими диодами 35 и 37 и третьими вторичными обмотками 13 и 7. Ток от источника 30 тока, протекая попеременно по третьим вторичным обмоткам 7 и 13, трансформируется в первые вторичные обмотки 5 и 11 соответственно., выпрямляется с помощью первого и второго диодов 17 и 18 управления и далее поступает на базу силового транзистора 1, вызывая его включение В моменты времени, при которых прямоугольное напряжение изменяет свой знак на крайних точках 26 и 27 дополнительной обмотки 24, ток от источника 30 тока протекает одновременно по третьим вторичным обмоткам 7 и 13 и, трансформируясь в первые вторичные обмотки 5 и П соответственно поступает на базу силового транзистора 1. Таким образом, введение блока 28 управления исключает возможность возникновения просадок базового тока силового транзистора 1 в моменты переключения.

Закрывание силового транзистора 1 осзпцествляется следующим образом. При подаче на управляющзпо клемму 29 отрицательного потенциала, первый управляющий полупроводниковый ключ 3 открывается, а второй управляющий полупроводниковый ключ 32 закрываетс Крайние точки вторых вторичных обмо;гок 6 и 12 оказываются шунтирован.ными открытым переходом коллекторэмиттер первого управляющего полу- , проводникового ключа 31. В этом чае напряжение на крайних точках первых вторичных обмоток 5 и П практически равно нулю. Ток на базу силового транзистора 1 не поступает, что приводит к закрыванию последнего. Силовой транзистор 1 закрыт в течение времени, пока на управляющей клемме 29 присутствует отрицательный потенциал.

В некоторых случаях бывает целесообразно снабдить силовой транзистор 1 источником отрицательного базового смещения, что позволяет уменьшить время рассасывания силового транзистора 1 (на чертеже не показан).

Для перемагничивания магнитопроводов трансформаторов 3 и 9 обратной связи служат четвертые вторичные обмотки 8 и 14. Цепь, образованная дополнительной обмоткой 24, коммутирующими диодами 36 и 38 и четвертыми вторичными обмотками 8 и 14, попеременно подключает к последним перемагнвчивающее напряжение.

Формула изобретения

1, Полупроводниковый переключатель тока, содержащий силовой транзистор, коммутирующий трансформатор, .имеющий основную обмотку со средней точкой, первый трансформатор обратной связи, имеющий одну первичную и две вторичные обмотки, и блок управления, при этом коллектор силового транзистора подключен к одному из выводов первичной обмотки первого трансформатора обратной связи, другой вывод которой подключен через первый силовой диод к одной крайней точке основной обмотки коммутирующего трансформатора, к другой крайне точке которой подключен второй силовой диод, при этом один вывод первой вторичнЬй обмотки первого трансформатора обратной связи подключен к эмиттеру силового транзистора, а другой через первый диод упраления подключен к базе силового транзистора, к которой подключен второй диой управления, отличающийся тем, что, с целью увеличения надежности, он снабжен вторым трансформатором обратной связи с первичной и четырьмя вторичными обмотками, первьй трансформатор обратной связи снабжен третьей и четвертой дополнительными вторичными обмотками, коммутирующий трансформатор снабжен дополнительной обмоткой со средней точкой, при этом первичная обмотка второго трансформатора обратной связи одним выводом подключена ко второму силовому диоду, а другим - к коллектору силового транзистора, первая вторичная обмотка второго трансформатора обратной связи подключена одним выводом ко второму диоду-управления, а другим - к эмиттеру силового транзистора, при этом дополнительная обмотка коммутирующего трансформатора вместе со вторыми, третьими и четвертыми обмотками первого и второго трансформаторов обратной связи подклю чены к блоку управления. 2. Переключатель по п.1, отличающийся тем, что блок управления снабжен источником тока, шестью коммутирующими диодами и двумя.управляющими полупроводниковыми ключами, при этой вторые вторичные обмотки трансформаторов обратной связи совместно с первым и вторым коммутирующими диодами, включенными последовательно с каждой из них, образуют две соединенные одними концами с земляной шиной блока управления параллельные цепи, к которым параллельно подключена внешняя цепь первого управляющего полупроводникового ключа, третьи вторичные обмоткитрансформаторов обратной связи общей точкой через внешнюю цепь второго управляющего полупроводникового ключа подключены к земляной шине блока управления, а свободными выводами через третий и четвертый коммутирующие диоды подключены к крайним точкам допол1штельной обмотки коммутирующего трансформатора, средняя точка которой через источник тока подключена к земляной шине блока управления, при этом общая точка четвертых вторичных обмоток трансформаторов обратной связи подключена к земляной шине блока управления, а свободные выводы через пятый и шестой коммутирующие диоды подключены к крайним точкам дополнительной обмотки коммутирующего трансформатора. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Балагуров В.А., Гридин В.М., Лозенко В.К. Бесконтактные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами. М., Энергия, 1975, с. 25, рис. 14а. 2.Авторское свидетельство СССР 275126, кл. Н 03 К 17/56, 1970. №