Ключевой усилитель мощности Советский патент 1982 года по МПК H03F3/26 

(5) КЖ)ЧЕВОЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ

Изобретение относится к преобразовательной технике и предназначено для применения в ключевых усилителях мощности, выполненных с применением высоковольтных транзисторов. Известен ключевой усилите{1Ь мощности, содержащий согласующий и выход ной трансформаторы, высоковольтные транзисторные ключи, к базо-эмиттерным переходам каждого из которых подключена параллельно первая последовательная цепь из вспомогательной обмотки выходного трансформатора и диод а к эмиттерам - вторая последовательная цепь из обмотки согласующего трансформатора и резистора 1. Однако известный ключевой усилител мощности имеет высокие динамические потери. Цель изобретения - снижение динами ческих потерь. Для достижения цели каждая из вторых последовательных цепей через введенный дроссель соединена с базой соответствуюцего высоковольтного транзисторного ключа. На фиг. 1 представлена принципиальная схема предлагаемого ключевого уси-. лителя мощности, выполненного, например, по мостовой схеме; на фиг. 2 временные диаграммы, иллюстрирующие работу схемы. Ключевой усилитель мощности, собранный по мостовой схеме (см. фиг. 1) содержит выходной трансформатор 1 с первичной 2, выходной 3 и отдельными вспомогательными -7 обмотками, ключевые транзисторы 8-11, обмотки 12-15 согласующего трансформатора, через который осуществляется управление, диоды 16-19. резисторы 20-23, дополнительно введенные линейные дроссели 2+-27. Ключевой усилитель может быть также собран по полумостовой схеме или по схеме двухтактного усилителя. Ключевой усилитель мощности работает следующим образом. Пусть полярность напряжения на обмотках 12-15 согласующего трансформатора такая, как показана на фиг. 1 (без скобок). Открыты транзисторы 8 и П. Полярность включения вспомогательных обмоток и 7 и первичной обмотки 2 выходного трансформатора 1 такова, что диоды 16 и 19 закрыты. Транзисторы 9 и 10 и диоды 17 и 18 закрыты отрицательным напряжением на обмотках 13 Ml согласующего трансформатора. Токи через линейные дросс ли 25 и 26 отсутствуют. В момент времени t меняется поля ность напряжения 1 на обмотках 12-1 согласующего трансформатора (на фиг. полярность для этого случая показана в скобках и для транзисторов 9 и 10 напряжение становится отпирающим (см фиг. 2), а для транзисторов 8 и 11 запирающим. В течение времени рассасывания tp в транзисторах 8 и 11 напряжение на первичной обмотке тран форматора 1, а следовательно, и на обмотках -7 сохраняет свою полярность.- Поскольку полярность напряжения на обмотках 5 и 6 остается для транзисторов 9 и 10 запирающей, а диоды 17 и 18 открыты суммарным: напряжением обмотки и I,6, то транзисторы 9 и 10 продолжают находиться в режиме отсечки, предотвраща тем самым возникновение сквозных токов. Под действием суммы напряжений обмоток 1.3 и 5 и соответственно и 6 диоды 17 и 18 отпираются и по линейным доосселям начинает протекать экспоненциально нарастающий ток 1| (см. й(иг. 2). Скорость нарастания то ка tj определяется постоянной времени цепи, зависящей.в основном от величины сопротивления резисторов 21 и 22 и индуктивности дросселей 25 и 26. Если время рассасывания tp более чем в 3 раза превышает постоянную времени базовой цепи управления, то ток i, в линейных дросселях 25 и 26 достигает величины (Е +E)/R, где Ей и Е - соответственно амплитуд прямоугольных импульсов на обмотках 12-15 согласующего трансформатор и на вспомогательных обмотках Т вы ходного трансформатора 1;R - сопротивление резисторов 20-23.- . После окончания процесса рассасывания транзисторы 8 и 11 выходят из насыщения и напряжения на первичной и вспомогательных 4-7 обмотках выходного трансформатора меняют свой знак (полярность указана в скобках). Поскольку токи в линейных дросселях 25 и 2б скачком измениться не могут, а диоды 17 и .18 запираются напряжением вспомогательных обмоток 5i 6, то базовые токи транзисторов 9 и 10 сначала резко возрастают до величины токов дросселей 25 и 26, равных (Ey+E)/R, а затем экспоненциально спадают до установившегося значения (см. фиг. 2), За счет форсированного включения переход транзисторов из состояния отсечки в состояние насыщения в предлагаемой схеме происходит быстрее. Однако в высоковольтных транзисторах переходный процесс при включении не кончается с моментом их входа в насыщение. Высоковольтным транзисторам свойственно явление модуляции омического сопротивления коллектора, что обусловлено на1лйч йем высокоомного слоя в коллекторной, области. Поэтому после насыщения транзисторов, напряжения на них продолжают изменяться, уменьшаясь по величине и становятся постоянными лишь спустя время установления, в течение которого происходило насыщение высокоомного слоя неосновными .носителями и уменьшение его сопротивления. Форсирование, полученное за счет введения в схему линейных дросселей, сокращает время установления и существенно уменьшает общие динамические потери при включении транзисторов. В момент времени t. полупериод заканчивается и напряжения на обмотках 12-15 согласующего трансформатора меняют свою полярность. В транзисторах 9 и 10 начинается процесс рассасывания избыточных носителей, при этом запирающие базовые токи за счет включения линейных дросселей 25 и 26 нарастают экспоненциально. Ограничение скорости нарастания запирающего базового тока позволяет обеднить высокоомный слой коллекторной области неосновными носителями и получить после завершения процесса рассасывания, меньшую длительность спада коллекторного тока и снизить динамические потери при выключении транзисторов.

Процессы в цепях управления транзисторами 8 и 11 происходят аналогично ра смотренным.

Из описания принципа работы предлагаемого ключевого усилителя мощности видно, что введенный в схему . линейный дроссель играет двоякую роль Во время рассасывания в ранее включенных транзисторах в линейных дросселях происходит накопление энергии, которая затем используется для форсирования включения транзисторов и уменьшения потерь на этом этапе. С другой стороны, при включении транзисторов они служат для ограничения скорости нарастания запирающего баг зового тока и уменьшают длительность спада коллекторного тока.

Таким образом, снижение динамичёских потерь происходит как за счет уменьшения времени установления напряжения на транзисторах при их включении, так и за счет уменьшения времени спада коллекторных токов.

Для современных высоковольтных транзисторов Снапример, типа КТ828А оптимальная величина индуктивности линейных дросселей лежит в пределах 6-10 мкГн. Введение указанных дросселей в схему уменьшает времена установления напряжения и спада коллекторного тока в 2-3 раза и при рабочих частотах порядка 20 кГц. когда, определяю1чими становятся динамические потери в транзисторах, позволяет увеличить выходную мощность на 20-25%.

Формула изобретения

Ключевой усилитель мощности, содержащий согласующий и выходной трансформаторы, высоковольтные транзисторные ключи, к базо-эмиттерным переходам каждого из которых подключена параллельно первая последовательная цепь из вспомогательной обмотки выходного трансформатора и диода, а к эмиттерам - вторая последовательная цепь из обмотки согласующего трансформатора и резистора, о т л и ч а и и с я тем,что, с целью снижения динамических потерь, каждая из вторых последовательных цепей через введенный дроссель соединена с базой соответствующего высоковольтного транзисторного ключа.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР № , кл. Н 03 F 3/26, 1970 (прототип).