Плечо моста и полууправляемая электронная пара

СОЮЗ СОВЕТСНИХСО,ИПарЬНеси жРЕСПУБЛИН 3 К 17 УО САНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ЛЬСТВУ Му СВИ Н АВТО нд АнлагенАВЛЯЕМАЯ. ся к импульс- использовано УДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОЧНРЫТИГКНТ СССР(71) ФЕБ Электропроектбау Берлин (ВП)(57) Изобретение относиной технике и может быт Изобретение предназначено для коммутации токов с индуктивной составляющей и может применяться преимущественно в импульсных преобразователях постоянного тока, преобразователях частоты с промежуточным контуром постоянного тока и в непосредственных преобразователях частоты.Самоотключающиеся полупроводниковые приборы, работающие в режиме ключа, например биполярные транзисторы, униполярные транзисторы и ГТО-тиристоры, называющиеся также однонанравленными ключами, так как у них протекание главного тока в рабочем режиме ограничено одним направлением, в максимально возможной мере должны освобождаться от динамических потерь, чтобы сравнительно чувствительные и.801649 4 в импульсных преобразователях постоянного тока или преобразователях частоты. Цель изобретения - повышениеКПД - достигается путем уменьшенияпотерь мощности, Плечо моста содержит полностью управляемый электронныйключ и неуправляемый вентиль. Для достижения поставленной цели введенконденсатор, выводы которого непосредственно соединены с электродами, благодаря этому соответственно шунтируются или блокируются паразитные индуктивности линии контура выпрямленного напряжения к которому подключается данное устройство, 2 с,и 2 з,п.ф-лы, 9 ил. дорогостоящие самоотключающиеся полупроводниковые приборы максимальномогли использоваться током нагрузки(связанным со статическими потерями).Известны такие решения, включающие разгрузочные контуры, работающие беэ потерь (патент ФРГ Р 2639589,кл. Н 03 К 17/08, 1982),.Такие свободные от потерь разгру"- зочные схемы требуют большого количества схемных элементов и ведут к ограничению возможностей применечия11 частота импульсов, запас времени,активная защита) и к низкому использованию полупроводниковых приборовтоками нагрузки ввиду дополнитель,ных разрядных токов схемы разгрузки.Известные монтажные контуры обладают дополнительными недостатка1649644 ЕР+ оставитель Г,ТерешиТехред И,дидык Корректор НЛоро актор А.Лежнина 5 раж омитет осква,оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Уж ул. Гагарина, 10 Зака ВНИИП Государственного 113035, по изоИ, Р 0 Подписное ретениям и открытиям при Г ушская наб., д, 4/5ми, когпа две пары в плече моста,состоящие из последовательно включенных одноправленного ключа и нулевого диода, соединяются по антипараллельной схеме, например для создания инверторных схем.По этой .причине в заявке ФРГР 3120469, кл. Н 03 К 17/08, 1982(прототип) предлагается состоящаяиз однонаправленного ключа и нулевого вентиля пара, включенная между полюсами источника напряжения постоянного тока., содержащая дроссельразгрузки при включении, конденсаторразгрузки при отключении и работающий в униполярном режиме накопительный конденсатор в качестве третьегонакопителя энергии, обеспечивающеговременное промежуточное накоплениеэнергии двух остальные реактивныхэлементов. Кроме второго нулевоговентиля, для каждой пары в плече моста еще требуются дополнительныедиод разгрузки при отключении и запирающий диод. При антипараллельномвключении двух таких пар, одна из которых должна быть рассчитана на положительный ток нагрузки, а другая -на отрицательный, имеется возможность протекания тока нагрузки в обоих направлениях. Однако для этоготребуется развязка пар в плече припомощи диодов и/или индуктивностей.Цель изобретения - повьппениеКПД путем уменьшения потерь мощности.На Фиг 1 дана полууправляемаяэлектронная пара в плече моста дляположительного выходного тока; наФиг. 2 - то же, для отрицательноговыходного тока; на Лиг, 3 - временная вольт-амперная характеристика полууправляемой электронной пары вплече моста с параллельным конденсатором с учетом паразитных индуктивностей проводов; на Лиг, 4 - импульсный преобразователь постоянноготока с парой в плече моста, на фиг. 5 - преобразователь частоты с парами в плече моста; на Фиг. 6 - обладающие малыми индуктивностями системы полупроводниковый прибор - охладитель соответствующей изобрете нию пары в плече моста для положи)тельного выходного тока; на Фиг 8 и,9 - примеры реализации электронной па-ры согласно п.3 Аормулы изобретения.Изобретение исходит из того, что паразитные (в большинстве случаев указываемые в схемах) индуктивностииз контура постоянного тока, в который включена такая электронная пара, должны быть сокращены в такоймере, чтобы динамические потери снизились до уровня, допускающего отказот разгрузочных контуров или соответственно их минимизацию. При этомдолжно быть учтено то обстоятельство, что уже на каждом участке провода, на котором токи включаются ивыключаются при достигнутых в настоящее время скоростях изменения тока(порядка мкс), в процессе коммутации возникают внутренние перенапряженияНа фиг. 1 показана электроннаяпара ЕР + в плече моста, состоящаяиз включенных последовательно включаемого и отключаемого управляемогополностью электронного ключа Т .и неуправляемого вентиля Р 1. В качествеключа Т предусмотрен самоотключающийся .полупроводниковый прибор, например биполярный транзистор. Однакопредставляется возможным вместо негоприменить униполярный транзистор илиотключаемый ГТО-тиристор, ВентильП 1 представляет собой неуправляемыйполупроводниковый прибор, напримердиод, который в коммутационном режиме "токопроводящий" или "запирающий" ведется ключом Т, При представленной на Аиг, 1 поляризации даннаяпара при включенном ключеТ способна к ведению положительного выходного тока (1,О) в точке подключения нагрузки Ь. Согласно изобретению параллельно к включенным после-.довательно ключу Т и вентилю 01 подключен конденсатор С , выводы которого непосредственно соединены с электродами Е 1 и Е 2 пары ЕР + . Бла годаря этому соответственно шунтируются или блокируются паразитные индуктивности линии (1. на фиг.4 и 5)контура выпрямленного напряжения, ккоторому подключена пара ЕР +, 50Одинаковый принцип действия парыв плече моста получается в том., случае, когда изменяются полярность источника напряжения постоянного токаполярность ключа Т и полярностьвентиля Э 1, В результате возникаетпара ЕР - , способная к ведению отрицательного выходного тока (,1( О)(фиг,2). При.параллельном соединенииобе пары ЕР + , ЕР - , соответст 164964 венно ведущие положительный или отрицательный выходной ток, пригодны для управления переменным токЬм1(1 д 0),. При таком параллельном соединении ведущей положительный выходной ток пары Е 2 + и ведущей отрицательный выходной ток пары ЕН - обеим парам Е 2 + , ЕР - совместно, может быть присвоен параллельный конденсатор С.Конденсатор Сгвключен так, что при переключениях (коммутациях) тока нагрузки с ключа Т на вентиль П 1 и наоборот индуктивные составляющие входного токаили соответственно выходного тока хц протекают через конденсатор Сг, При коммутации тока в такой паре Е 2 с учетом паразитных линейных индуктивностей получаются по казанные на фиг.З временные вольтамперные характеристики. Процесс переключения с диода Р 1 на транзистор Т пары в плече управляется через управляющий вывод транзистора Т посред ством тока управления х (фигЗ,Р .По истечении времени задержки включениятранзистор Т начинает воспринимать ток (ток коллектора с на фиг.З,а), Так как протекание тока д 30 от источника напряжения постоянного тока через транзистор Т ввиду линейной индуктивности создается медленно (фиг.З,с),конденсатор С кратковременно должен представлять выходной токпока не будет создан ток 1 из контура напряжения постоянного тока, Одновременно конденсатор Спри переключении выходного тока д с диоО да П 1 на тразистор Т должен предо ставлять реактивный ток для запирания диода П 1. Благодаря этому транзистор Т в течение времени задержки запирания диода Р 1 может работать в активной зоне (высокая мощность по терь в транзисторе), Процесс прекращения тока от накопления носителей за- ряда в диоде Р 1 ввиду наличия лишь минимальных паразитных индуктивностей проводов вызывает минимальные пе ренапряжения у транзистора Т, работаю щего в активном режиме. Таким образом, можно отказаться от разгрузки включения транзистора Т, Выходной ток1 временно предоставляемый 55 конденсатором Си ток выключения 1% диода Р 1 суммируются и Образуют ток конденсатораг, из которого вы 1 читается ток 1, создаваемый конту 46ром напряжения Постоянного тока (фиг.3,3).На фиг,З,С линией 1 в процессе включения во время нарастания тока или снижения напряженияобозначена характерная точка, в которой напряжение в точке подключения нагрузки Ь переключается с диода П 1 на транзистор Т.Если транзистор Т снова должен отдать выходной ток, что производится за счет реверса тока управления 1 (фиг.3,5, линия 2), на время накойлениятранзистора Т ток С в коллекторе транзистора Т проролжает протекать до начала времени спада . Одновременно продолжает нарастать напряжение коллектор - эмиттер 1) , ибо только когда напряжение коллектор - эмиттер П достигло напряжения контура напряжения постоянного тока П, диод П 1 может отпираться и принять на себя выходной ток 1 в течение времени спада й. Токот источника напряжения постоянного тока У на короткое время продолжает протекать за счет линейных индуктивностей, Этот ток принимает конденсатор Ср, за счет чего немного повышается напряжение конденсатора У (фиг;3,).Иалоиндуктивное соединенйе конденсатора С допускает быстрое переключение тока нагрузкиа с транзистора Т на диод Р 1 и наоборот, причем сохраняются малые значения внутренних перенапряжений на транзисторе Т, результирующих иэ неидеальной коммутационной характеристики диода Р 1 и быстрых изменений тока на внутренних индуктивностях; а также можно минимизировать разгрузочные контуры или отказаться от них.В работающих от источника напря" жения импульсных преобразователях постоянного тока и работающих от источников напряжения преобразователях частоты с промежуточным контуром постоянного тока (соответственно фиг.4 или 5 при условии, что 1. ъ) Ь ) конденсатор С как вспомогательный конденсатор сокращает оказывающее влияние на процесс коммутации выходного тока о параэитные линейные индуктивности до конструктивно-технологически обусловленного минимума, определяемого изготовителем полупропроводниковых приборов. Конденсато 1649644ром С предоставляется коммутационный реактивный ток для процесса переключения выходного токас неасамоотключающегося полупроводникового прибора 01 на самоотключающийсяполупроводниковый прибор Т. Независимо от структуры устройства реализуется явно определенный коммутационный контур, который, в свою очередь, обеспечивает определенный процесс коммутации при необходимости сиспользованием активного рабочегодиапазона (посредством Формированиясоответственно тока или напряженияуправления) самовыключающегося полупроводникового прибора. Это справедливо для различных видов эксплуатации пар ЕР в преобразовательныхустройствах и независимо от величины коммутируемого выходного токаПрименение конденсатора С является предпосылкой для реализации работающих от источника тока импульсных преобразователей постоянного тока и работающих от источника токапреобразователей частоты с промежуточным контуром постоянного тока (со"ответственно фиг,5 или 6 при условии,что С = О) на самоотключающихсяполупроводниковых приборах. Указанный конденсатор служит ограничениюнапряжения промежуточного контураБ и после каждого процесса коммутации в работающем От источника токаимпульсном преобразователе или соответсвенно инверторе предоставляетнеобходимые уравнительные реактивныетоки,Наряду с ограничением внутренних перенапряжений пары в плече моста и напряжения промежуточного контура постоянного тока параллельный конденсатор С во взаимодействии с диодом 01 вообще годится для ограничения внешних перенапряжений.Техническая реализация конденсатора в качестве параллельного конденсатора С для соответствующей изобретению пары в плече моста отвечает известному уровню техники. Применяется малоиндуктивный и обладающий вплоть до высоких частот малыми потерями металлобумажный конденсатор или конденсатор на диэлектрике иэ металлизированной полипропиленовой пленки с контактированным по лобовой части узким рулоном. Особенно предпочтительно параллельное подключение второго диода 02к диоду 01, оптимизированному по характеристике включения и выключения,а также согласованному с транзистором Т (Фиг1 и 2). Применение двухполупроводниковых приборов 01 и 02несамоотключающегося типа в качестве нулевого вентиля допускает раздельную оптимизацию с точки зренияполупроводниковой технологии, согласованную с самоотключающимся полупроводниковым прибором, В то время,как диод 01 оптимально согласовывается с характеристикой включениясамоотключающегося полупроводникового прибора (коммутационный реактивный ток, емкостные токи), диод 02 в значительной степени определяет характеристику отключения самоотключающегося полупроводниковогоприбора (превышение напряжения, характеристику коммутации тока нагруэ ки). Диод 02 при этом по сравнениюс диодом 01 должен обладать болеекоротким временем включения, чтобына определенное время принять на себя переключаемый с Т на 01 ток нагрузки 1 а и допустить лишь малоединамическое напряжение пропускания,которое, в свою очередь, исключаетнагрузку самоотключающегося полупроводникового прибора недопустимыми напряжениями, значительно превышающими напряжение промежуточногоконтура Бс . Однако за счет того,что статическое напряжение пропускания у диода 02 принимается большим, 40 чем у диода 01, .достигается самостоятельное переключение тока нагруэхи1с диода 02 на диод 01. При па раллельном соединении ведущей положительный выходной ток пары ЕР + с 45 Ведущей Отрицательный ВыхОднОЙ токпарой ЕР - , поскольку включаемыйи отключаемый ключ Т соответственно представляет собой транзистор,транзистор пары ЕР - с отрицатель. ным выходным током в паре ЕР + сположительным выходным током одновременно может выгэлнять функциюдиода 02, подключаемого параллельно к нулевому вентилю 01, или соответственно транзистор пары ЕР +функцию диода 02 в паре ЕР - , Приизменениях обратного напряженияна диодах 01 и 02, которые имеютместо во время процессов коммутациивентиля подключена к выходной шинеустройства, о т л и ч а ю щ а я с ятем, что, с целью повышения КПД путем уменьшения потерь мощности, введен конденсатор, который включенпараллельно соединенным последовательно полностью управляемому электронному ключу и неуправляемомувентилю, при этом первый вывод конденсатора соединен с первым силовымвыводом полностью управляемого электронного ключа, а второй вывод - свторым выводом неуправляемого вентиля. 3, Электронная пара по и. 1, о тл и ч а ю щ а я с я тем, что, .с целью уменьшения перенапряжений, на полностью управляемом электронном ключе введен быстродействующий диод, который включен согласно-парал-, лельно неуправляемому вентилю. 4. Электронная пара по пп.1 и 2, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что в качестве полностью управляемого электронного ключа используетсябиполярный транзистор или униполярный транзистор, или запираемый тиристор,