Ключевой генератор

(57) Изобретениетехнике и предназния в качестве клюверторов в импвторичного электро ОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕЕДОМСТВО СССРГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ АВТОРСКОМУ СВИД(56) Патент США17/60, 1980,Патент Францкл. Н 03 К 17/60, 1 НЕРАТОРотносится к импульсной начено для использовачевых генераторов, конульсных источниках питания и других радиотехнических устройствах большой и средней мощностей. Ключевой генератор содержит формирователь импульсов 1, трансФорматор 2, два усилительных 3, 4 и два ключевых 5, б элемента, два фильтра 7, 8 нижних частот, два диода 9, 10, а ключевые и усилительные элементы выполнены на биполярных транзисторах, Такая совокупность блоков и связей обеспечивает противофазное управление ключевыми элементами через один трансформатор при обеспечении задержки включения ключевых элементов, достаточной для устранения сквозных токов, при фронтах включения не более 0,1 - 0,2 мкс, Это позволило повысить энергетическую эффективность и обеспечить надежную работу ключевого генератора, 1 ил.Изобретение оносится к импульснойтехнике и предназначено для использования В качестве ключевых генераторов, конверторов в импульсных источникахвторичного электропитания и других радиотехнических устройствах большой и саедней мощностей,Известны ключевые генераторы,содержащие формирователь импульсов и оконечные каскады на полевых транзисторах, 10выполненные по двухтактным или по полумостовым схемам, Для устранения сквозных токов, протекающих через ключевыеэлементы в известных устройствах использованы демпфирующие дроссели, включенные между транзисторами (пат, США4 б 26715), либо ЯС-цепи, обеспечиваощиезадержку включения транзисторов, Известные технические средства позволяют обеспечить надежную работу ключевых 20генераторов, выполненных на полевыхтранзисторах, без существенного увеличения мощности потерь, Это обстоятельствообъясняется высоким быстродействием полевых транзисторов и, в частности, малым 25фронтом включения даже при наличии а ихвходе интегрирующей цепи.Недостатком известных устройств является ограниченная мощность канала клочевого генератора на полевых транзисторах и 30недостаточная энергетическая эффективность вследствие наличия конечного сопротивления их канала в открытом состоялии,Так, на отечественных полевых трднзисторах, например типа 2 И 922 А, мажет быль 35выполнен ключевой генератор по полумостовой схеме с максимальной выходноймощностью до 300ВА цри Кг 1 Д цорлдк8085,. Такие генераоры:. опосе рабочих часат до 200,400 кГц г ра -,рывдют 40аналогичным генераторам, в.поленымнд биполярных транзисторах, Так. дпример, кпочевой генератор нд транзисто эах2 Т 8 бб А может развивать Выходцуо мод, -ностьдо 1 кВА цри Кпддо 90,95/;, 0,нзка 45такие ключевые генераторы в силу большейинерционности выключения биполр,цхтранзисторов и недостаточной крутиэнь: ихвклочения требуют реализации дополнительных мер для устранения сквозных токов 50и обесгеченил их ддекной и эффективнойработы,Известны ключевые генераторы с оконечными каскадами,выполненцми цд биполярных транзисторах, В которых 55устрдне,ие сквозных оод достигается здсчет формирования отделыых сипдпад управления каждому из ключевых элементов сзадержкой фронта включения. В этом случае импульсные сигналы усипиваютсл Одздельными предварительными усилителями и треоуют использования отдельных звеньев гальванической развязки, что значительно усложняет схему устройства, Введение в клачевой генератор, выполненный на биполярных транзисторах, демпфируощих дросселей связано с существенными потерями мощности и с дополнительным выбросом апряжения нд закрытых ключевых элементах, что приводит к ухудшеию энергетической эффективности и сказывается на понижении надежности работы устройства,Наиболее близким к предлагаемому является клачедое устройство, в котором ключевой элемент, выполненный на полевом транзисторе, управляется через усилительный эемет, таккг выполненный на полевом тразисторе. епосредственно от вторичной обмотки трансформатора. При этом включение усилительного элемента в цепь управления мощным ключевым элементом позволяет обеспечить задеркку его Включения, требуемуо для устранения СКВОЗНЫХ ТОКОВ,Устройство-грототиц садеркит формирователь импульсов, прямой и инверсный Выходы которого подключены к первичной обмотке трансфооматора, Вторичные обмотки которого через усллителыые элементы цодкло е ц к Входам упрдвлеия ллочевых элеметов, включенных последовательно ма:кду шинами электропитания,Устооство-ратотц работает следующим образом. Формровдтель импульсов фарирует прямую и инверснуо импульс- ну О последовательность типа медндр задааи частоты и уровнем ощности, дастэточным дпя ереклочения клочевых элем . гсВ, Этд импульсная последовательность цс, вдается через импульсный трансформатор и усилительные элементы и по:тупдет на Входы управленил ключевыми зледетами, Саотвстству 0 цие Выводы Вта ри ных обмоток подко ельтакже ко вхолам управленил усиллтелыьх элементов, Выполненцх а полевых транзисторах, Вследствие задержек вклочелия усилитель:цх элеметов, обусловленных сопротивлеисм их Входной цепи и емкостью затвора, формируется задержка Включения ключеВых элементов, что обеспечивает устранеие сквозых токов В оконечном каскаде клочевога генератора, Выполнение ключеВых элементов на полевых транзисторах позволяет обеспечить хороший фронт их вклочения (менее 200 с) после формирования задержки и тем самым уменьшить динамические потери в ключевых приборах.Недостатком устройства-прототипа являетсл недостаточнал мощность ключевого510 20 25 Зо 35 40 45 50 55 генератора и сравнительно низкая его эффективность из-за сопротивления канала открытых полевых транзисторов, Ключевой генератор, выполненный по известной схеме на полевых транзисторах типа 2 П 901 в усилительных элементах и транзисторах 2 П 922 А, используемых в качестве ключевых элементов, позволяет обесгечить выходную мощность на согласованную резонансную нагрузку до 250 Вт при КПД порядка 80,. Необходимо отметить, что параллельное включение полевых транзисторов в ключевых элементах для увеличения выходной мощности генератора приводит к чхчдшению массогабаритных характеристик чстройства, его удорожанию и, в конечном счете, к понижению надежности вследствие увеличения количества элементов. В случае использования в оконечном каскаде устройства прототипа биполярных транзисторов (например типа 2 Т 841 А, 2 Т 866 А) для устранения сквозных токов необходимо обеспечить задержку их включения порядка 0,20,8 мкс, что приводит к увеличению длительности фронта включения и соответственно к росту потерь мощности, Так, на частотах переключения порядка 100.200 кГц в известном устройстве при выходной мощности не более 500 Вт КПД не превышает 75. Использование в качестве усилительных элементов полевых транзисторов при применении ключевых элементов на биполярных транзисторах препятствует введению диодной обратной связи и соответственно не дает возможности обеспечить ненасыщенный режим работы транзисторов оконечного каскада,Цель изобретения - повышение надежности при увеличении выходной мощности ключевого генератора.Поставленная цель достигается в устройстве, содержащем формирователь импульсов, подключенный прямым и инверсным выходами к первичной обмотке трансформатора, первая и вторая вторичные обмотки которого соединены первыми выводами с первыми выводами первого и второго ключевых элементов, входы управления которых через первый и второй усилительные элементы подключены к вторым выводам первой и второй вторичных обмоток трансформатора, причем первый и второй ключевые элементы включены последовательно между шинами электропитания, а точка их взаимного соединения является выходом устройства, посредством введения в его состав первого и второго фильтров нижних частот, первого и второго диодов, выполнения усилительных и ключевых элементов на биполярных тра:зисторах и снабжения вторичных обмоток трансчорматора повышающими отводами, выводы которых подключены к входам первого и второго фильтров нижних частот, выходы которых подключены к входам управления первого и второго усилительных элементов и через первый и второй диоды соединены с вторыми выводами первого и второго ключевых элементов.Применение в ключевом генераторе новой совокупности блоков и связей позволяет обеспечить повышение мощности за счет использования силовых биполярных транзисторов, устранить сквозные токи и уменьшить динамические потери мощности на переключение при противофазном управлении ключевыми элементами, Предлагаемая совокупность блоков и связей в устройствах рассматриваемого класса ранее не использовалась и является новой, Причем отличительные существенные признаки заявляемого технического решения позволяют улучшить основные технические характеристики ключевого генератора, а именно повысить его надежность при повышении энергетической эффективности. Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критерию "существенные отличия",На чеотеже приведена структурная схема предлагаемого ключевого генератора,Ключевой генератор содержит формирователь 1 импульсов, трансформатор 2, усилительные элементы 3 и 4, ключевые элементы 5 и б, фильтры 7 и 8 нижних частот и диоды 9 и 10,Формирователь 1 предназначен для формирования импульсной последовательности типа меандра заданной частоты и требуемого уровня м ощности, достаточного для возбуждения через трансформатор 2 и усилительные элементы 3, 4 ключевых элементов 5, б. Формирователь 1 может быть выполнен на задающем генераторе и двухтактном либо мостовом предварительном усилителе.Трансформатор 2 предназначен для гальванической развязки и согласования выхода формирователя с входами управления ключевых элементов 5, б, Трансформатор 2 содержит две противофазные вторичные обмотки, снабженные дополнительными повышающими отводами. Как правило, для эффективного возбуждения ключевых элементов 5, б, выполненных на биполярных транзисторах, через биполярные транзисторы усилительных элементов 3, 4 достаточно иметь амплитуду импульсов на основных выводах вторичных обмоток порядка Ч 2=45 В. При этом максимальная(4) Ва 1 ичина така Вторичных Оамотак ОПГ)Рд 8- ляатсл соотношением1)Иэкс/г, - Минимальный коэффициент усиле),ил цо току биполярных транзисторов кло евых элементов 5, б,Усилительные элементы 3, 4 обеспечиваот регулировку входного тока управле) ил бигОллрцыми транзисторами ключевых элементов 5, б, а также служат для достижения требуемой задержки их вкл)очецил при млнимдльцой длительности фронта Выходных импульсов кл)очевого генератард. Усилителыые элементы выполнлотся на биполярных транзисторах с Высокими импульсными характеристикдми, большим Коз 1)фициеНТОМ уСИЛВНИЯ ПО ТОКУ Л ДОЛЖНЫ20 быль рассчитаны на передачу максимдльнага тока возбуждения силовых биполярных тоднэисторов, Регулировка величины тока Возбуукденля обеспечиваетсл за счет использования диодной обратной связи через диоды 9, 10, вклОченной между Входами усилительных элементов 3, 4 и коллекторыми выводами силовых биполярных транзисторов ключевых элементов 5, б. При э;омЧпотенциал цд базе силовых транзисторов В 01 крытом состаяцил ца правь шдаГ потац - цидлд КОучекчард, чам Обес)"ечиваатс:,)дботд В ецдсьдецнол режиме, Включс- )10 уСилитальЦЬх ЭЛ 8 м 8 ЦТОВ, 0(вача).ых Д)ОгНой ОбадТНОЛ счэл 0 ВО ВХОДНУО цецЬ силовых тпазсто)О) Г озвгЛяет об)есцечить П 1;эгакдниа тока через Гпаричнье абг 10 тки раца(1 арл(зтооа 2, мицил 1 дль 1-:О ДОСДТГЧНОГО ДЛЛ ПОДДВР)КД, Л СИЛОВЬ;Х ТРДЦЗИ, ОРОВ В ОТ,ПЬТО 1 СОСТОЯ Ц И Ц,)и ОС 40 татанал Напряжен 1 и 12 Г 31),т)15Уанлительнье элемацть 3, 4 доп; л,;:,-8 ЛН О С 0 Д л Р УК Д Т Ц)1 О г ЬВ К Л О Ч 8 Н Ц Ь а Ц Д О Д;- лельцо трд)зистордм, абеспечивдюв;иа г 1)ОР, И 1;аеаНЮЕ ЗаПИРаНИЕ С, ЛОВЬХ тРДЦЗИ- старад цри отрицдтельном цдпря)кении ца торЛс),ых Обмотках транс(1)орматог)а, ПГ 1 частотах ко)лмутдции до 100,200 КГц В кд. честве биполярных транзисторов усилитРльных элемснтав л 10 укно ракамецадать исгользавание транзисторов тица 2 Т 972 А.имеощих коэффициент усиления по такуНл Л 18 цал 100 И Грдцичцую Чдатоту бОЛЕЕ 110 МГ ц, В качестве диодов Обратной с)взи И Д )Р.В ДЛЛ фОРГ)РОННОГО ВЫКЛ)оценил ь со тазе усилительных элементов моут бьггь использованы диодь типа 2 Д 212 А,Фильтры 7, 8 нижних частот предндзцачець длл абесцече 1 гил задержки включения грднзисторов усилительных элементов 3 и 4 и соатв 81 стВРнна силГ)вых транзлсторов ключевых элементов 5, б, на время т, достаточное для надежного запирания ранее проводящего силового транзистора. При этом после задержки должны быть обеспечены быстрое Включение силовоГО транзистора и минимальная длительность фронта выходного импульсного напряжения ключевого генератора. Фильтры 7, 8 представля)от собой Г С-фильтры второго порядка с добротностью около 23 и постоянной времени. определяемой из требуемой величины задержки вклочеция На вход фильтров 7, 8 поступает напряжение с дополнительных отводов вторичных обмоток трансформатора, величина которого составляет около 8.10 В (т,е вдвое больше чем напряжение цд основном выводе вторичной обмотки). Величина резистороь фильтров 7, 8 Выбирается из условия абсспеченидостаточного зцдчания Вход;ага тока усилительных элементовЧ 2 ГГ = 212 гВкс ,дк 1 и) (5) ггде .,- мини; дль)ьй коэффиВиецч лере- дачи па гок, трднзис;оров усилиельныхВ(Л 1)очэние фильтров такоГО тица пО ВХОДУ УСИЛНТВЛЫЬХ Э 8 М 8110 В ГОЗВОЛЯВТ Обеспечить требуему)о задер)кку вклаления слловых транзисторов в зависимости от их :игд в ДиагЛза;е т =0,3,1,5 мкс при длиГе 1 ьцосч и фроч а включения т( =г,лючезыа злемен Гы 5, б Выполняются :д с)Ловьх бипОЛЯрных тГ)энзистарах, 1 а.рл Вар тиг 1 а 2 ГВббд, 2 Т 841/двклОгенных г 00 ухос) одуо схему клочевого гацсрдтора, .: градцдз;дча ы длл кл;очавого усиленияО Ь. 0 )Н 0 С Т И С И М Л 1 8 Т Р и Ч Н 0 й И Л 1 П у Л Ь С Н 0 й П 0 сладовдтелы)ости, Причем В предлагаемом устройстве Обаспечивдетсл использование силовых биполярных транзисторов в нендсыще цОм режиме прл обеспечении задержки . х Включения, чсм достигается нддежнал и эффективная работа ключевого генератора при выходной моцности да 800,1000 Вт.Предлагаемое устройство работает слегУ)оИм образом,Формировдтель 1 импульсов формирует две противофазцые импульсные последовательности типа медндра, поступающие на царвичнуо обмотку трацсгуормдчора 2. Г 1 ри1780180 10 райстве, выполненном на биполярных транзисторах, например типа 2 Т 855 А, 2 Т 841 А, при тех же условиях достигается выходная мощность до 800 - 1000 Вт при КПД порядка 90-95 О. Использование в устройстве-прототипе более мощных биполярных транзисторов ограничено понижением надежности их работы вследствие сквозных токов и больших динамических потерь во время фронта включения, В предлагаемом устройстве сквозные токи через силовые биполярные транзисторы устранены при малой длительности фронта включения (менее 0,1-0,2 мкс), чем обеспечивается уменьшение динамических потерь и повышение надежности работы ключевого генератора. 51015 Составитель Л,СкобелеваТехред М,Моргентал Корректор М.Демчик Редактор Заказ 4441 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 этом во вторичных обмотках на основных отводах формируется противофазные импульсные напряжения, амплитудой Ч 2=4,.5 В, На повышающих отводах вторичных обмоток напряжение достигает 2 Ч 2, Такое напряжение, поступая через фильтоы 7, 8 нижних частот на входы управления усилительных элементов 3 и .4, обеспечивает их эффективное включение через временной интервал т =0,3 - 0,8 мкс после фронта импульса на вторичной обмотке. Наличие диодной обратной связи (диоды 9, 10) с входов управления усилительных элементов 3, 4 на коллекторные выводы ключевых элементов 5, 6 ограничивает базовый ток отпирания силовых транзисторов на минимально достаточном уровне. Таким образом усилительные элементы 3., 4 выполняют функцию регулирования тока, протекающего через вторичные обмотки в базовые цепи ключевых элементов 5, 6, чем обеспечивается их работа в ненась.щенном режиме при малом остаточном напряжении,При смене полярности напряжения на вторичных обмотках (/2 О) через диоды, входящие в состав усилительных элементов, обеспечивается форсированное выключение силовых транзисторов. В ремя выключения составляет 0,2 - 0,7 мкс и не превышает задержку включения т .В предлагаемом устройстве обеспечивается противофазное управление силовыми ключами через один трансформатор при обеспечении задержки включения кл 1 очевых элементов, достаточной для устранения сквозных токов и фронтах включения не более 0,1-0,2 мкс, т.е. использование изобретения обеспечивает повышение надежности работы ключевого генератора, выполненного на моЩных биполярных транзисторах,Введение в предлагаемое устройство новой совокупности блоков и связей позволило повысить энергетическую эффективность и обеспечить надежную работу ключевого генератора при повышении его выходной мощности. Так, если в устройстве- прототипе, выполненном на полевых транзисторах, например типа 2 Т 922 А, при частотах коммутации порядка 100 - 200 кГц достигается выходная мощность 300 ВА при КПД не более 856, то в предлагаемом уст 20 25 30 35 40 45 50 Формула изобретения Ключевой генератор, содержащий формирователь импульсов, подключенный прямым и инверсным выходами к первичной обмотке трансформатора, первая и вторая вторичные противофазные обмотки которога соединены первыми выводами с первыми выводами первого и второго ключевых элементов, соответственно, входы управления которых через первый и второй усилительные элементы подключены к вторым выводам первой и второй вторичных обмоток трансформатора соответственно, причем первый и второй ключевые элементы включены последовательно между шинами электропитания, а точка соединения является вь,ходом генератора, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения надежности при увеличении выходной мощности, в него введены первый и второй фильтры нижних частот, первый и второй диоды, усилительные и ключевые элементы выполнены на биполярных транзисторах, а первая и вторая вторичные обмотки трансформатора соединены последовательно с первой и второй дополнительными обмотками, соответствующие выводы которых подключены к входам первого и второго фильтров нижних частот соответственно, выходы которых подключены к входам управления первого и второго усилительных элементов соответственно и через первый и второй диоды - к вторым выводам первого и второго ключевых элементов соответственно.