Однотактный транзисторный преобразователь

(46) 15,07,93. Бюл. М 2 (71) Львовский научн радиотехнический инс (72) В.Н,Мельничук и (56) Авторское свидет М 1403272, кл, Н 02 МДрабович Ю.И. и д точники электропитан торн ы м входом. Н ау к рис. 35 а,(54) ОДНОТАКТНЫЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ(57) Использование; преобразование постоянного напряжения в переменноедля систем вторичного электропитания, электропривода и автоматики, Сущность изобретения; силовой транзистор 1 коммутируется при изменении полярности напряжения на первой вторичной обмотке 3 управляющего трансформатора 2. Вторая вторичная обмотка 5 этого трансформатора осуществляет автоматическое регулирование глубины насыщения силового транзистора 1 с помощью дросселя насыщения 7 и первого диода 6. Третья вторичная обмотка 11, имеющая на один-два порядка большее число витков, чем вторая вторичная обмотка 5, размагничивает дроссель насыщения 7 и форсирует запирание силового транзистора 1 по переходу коллектор-база благодаря малому числу витков обмотки 9 этого дросселя, 2 ил,Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при разработке источников вторичного электропитания переключающего типа,Цель изобретения - повышение КПД за счет уменьшения статических потерь в силовом ключе во включенном состоянии транзистора и динамических потерь при включении силового транзистора.На фиг.1 представлена схема устройства; на фиг,2 - временные диаграммы, показывающие сравнительный анализ по временам включения, рассасывания избыточного заряда, формирования положительного фронта коллекторного напряжения и напряжения статических потерь во включенном состоянии,Устройство однотактного транзисторного силового ключа содержит силовой транзистор 1, управляющий трансформатор 2, первую вторичную обмотку 3 управляющего трансформатора 2, ограничительный резистор 4, вторую вторичную обмотку 5 управляющего трансформатора 2, первый диод 6, дроссель насыщения 7, состоящий из двух магнитосвязанных обмоток 8 и 9, второй диод 10, третью вторичную обмотку 11 управляющего трансформатора 2. Устройство работает следующим образом.При появлении на первой вторичной обмотке 3 управляющего трансформатора 2 прямоугольного импульса положительной полярности (интервал времени с 1-14, фиг,2 а) на его второй 11 и третьей 5 вторичных обмотках и на обмотках 8 и 9 дросселя насыщения 7 наводятся ЭДС, полярность которых указана на фиг.1 без скобок, Под воздействием прямоугольного импульса положительной полярности переход базаэмиттер силового транзистора 1 смещается в прямом направлении и через него начинает протекать базовый открывающий ток Лбн, величина которого ограничивается резистором 4, В результате этого начинается процесс открывания силового транзистора 1 (интервал времени т 1-1 г, фиг,2) и через него начинает протекать коллекторный ток, В это же время под воздействием ЭДС, наведенной в обмотке 11 и ЭДС, наведенной в обмотке 3, начинает протекать ток по следующей цепи; началообмотки 11 управляющего трансформатора 2 - обмотка 8 дросселя насыщения 7 - первый диод 10 - переход коллектор-эмиттер силового транзистора 1- конец обмотки 3, В результате протекания этого тока в обмотке 8 дросселя насыщения 7 возникает ЭДС, которая вместе с падением напряжения на открытом 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 переходе диода 10 компенсирует ЭДС, на. водимую в обмотке 11. В это время ток е цепи поддерживается за счет открытого со. стояния диода 10. Компенсация ЭДС обмотки 11 управляющего трансформатора 2 предотвращает смещение перехода база - коллек. тор силового транзистора 1 в обратном направлении, т,е. предотвращает активный режим работы силового транзистора 1. В результате этого силовой транзистор 1 входит а режим насыщения (переход база - коллектор смещается в прямом направлении) и поддерживается в этом режиме до тех пор, пока дроссель 7 не войдет в режим насыщения (интервал времени с 2-тз фиг,2). Вхождение силового транзистора 1 в режим насыщения при включении улучшает отрицательный фронт импульса коллекторного напряжения (уменьшает интервал времени т 1-т 2, фиг.2), уменьшает потери мощности на включение (повышает КПД), уменьшает мгновенную мощность, рассеиваемую на силовом транзисторе 1 при включении, т.е, повышает надежность и КПД, Нахождение силового транзистора 1 в период времени 12-1 з в режиме насыщения уменьшает статические потери мощности на силовом транзисторе 1 по сравнению с прототипом за счет уменьшения падения напряжения на переходе база-коллектор силового транзистора 1. Количество витков первой обмотки 8 и индуктивность первой обмотки Ь дросселя насыщения 7 выбираются такими, чтобы насыщение дросселя происходило за время меньше половины периода, т,е, количество витков обмотки первой обмотки 8 и индуктивностьз дросселя насыщения 7 будут меньшими количества витков и индуктивности второй вторичной обмотки 5 управляющего трансформатора 2, Кроме этого, количество витков первой обмотки 8 индуктивность 1 з дросселя насыщения 7 выбираются такими, чтобы ЭДС обмотки 8 дросселя насыщения 7 была меньше ЭДС второй. вторичной обмотки 11 управляющего трансформатора 2 на падение напряжения на диоде 10 с целью обеспечения протекания тока через дроссель насыщения 7, т.е. ток через дроссель насыщения 7 и насыщенный режим работы силового транзистора 1 в интервале времени сг-тз (фиг.2 г) обеспечиваются за счет открытого состояния диода 10. После насыщения дросселя насыщения 7 (момент времени тз, фиг.2) напряжение на нем становится равным нулю. Тогда под воздействием ЭДС на второй вторичной обмотке 11 переход база-коллектор силового транзистора 1 смещается в обрат-ном направлении и он входит в ненасыщенный (активный) режим работы (интервалвремени тз-т 4, фиг,2), который позволяет значительно уменьшить время рассасывания избыточного заряда (интервал времени т 4-т, фиг,2), длительность положительного фронта (интервал времени тп-с 6, фиг,2), и как следствие, позволяет уменьшить потери мощности на выключение в интервале времени т 4-сб, фиг,2) и мгновенную мощность в этом интервале времени. Т.е. в этом интервале времени предлагаемое устройство сохраняет все преимущества прототипа,При изменении тока коллектора силового транзистора 1 устройство ненасыщенного ключа обеспечивает перераспределение тока базы силового транзистора 1 и тока, протекающего через обмотку 8 дросселя насыщения 7 и диод 10, Например, с уменьшением тока коллектора силового транзистора 1 ток в его базу уменьшается, а ток через обмотку 8 дросселя насыщения 7 и диод 10 увеличивается, в результате чего дроссель быстрее входит в режим насыщения (уменьшается интервал времени тг-з, фиг.2). Поскольку при широтно-импульсном регулировании уменьшение тока коллектора соответствует уменьшению времени открытого состояния силового транзистора 1 (интервал времени 12-М, фиг.2), то при применении устройства в источниках вторичного электропитания, построенных на основе однотактных широтно-импульсных преобразователей, в случае изменения тока нагрузки в широких пределах функционирование предлагаемого устройства не нарушается,ЭДС наведенная в обмотке 5 управляющего трансформатора 2, поддерживает диод б в закрытом состоянии в течение всего полупериода положительного управля ющего импульса (интервал времени 1-14, фиг.2) и накапливает энергию для форсированного закрывания силового транзистора 1 в течение полупериода отрицательного управляющего импульса (интервал времени с 4-г 1, фиг.2,а), Т.к. для достижения большей эффективности рассасывания избыточного заряда в переходе база-коллектор силового транзистора 1 во время полупериода отрицательного управляющего импульса (увеличения запирающего тока по переходу база-коллектор) обмотка 5 управляющего трансформатора 2 выполняется с большим количеством витков по сравнению с обмоткой 11 управляющего трансформатора 2 (напряжение на обмотке 11 имеет величину порядка 2 В для достижения оптимального ненасыценного режима с точки зрения величины статических потерь и времени рассасывания избыточного заряда, т,к, дальнейшее увеличение напряжения на обмотке 5 лишь незначительно уменьшает 5 10 15 20 30 35 40 45 50 55 время рассасывания избыточного заряда и длительность положительного фронта коллекторного напряжения при возрастании статических потерь, а напряжение на обмотке 11 может приближаться к напряжению питания силового транзистора 1), а обмотка 8 дросселя насыщения 7 с целью обеспечения насыщения дросселя и открытого состояния диода 10 имеет меньше количество витков и индуктивность по сравнению с обмоткой 11 управляющего трансформатора 2 (напряжение на обмотке 8 дросселя насыщения 7 меньше напряжения на обмотке 11 управляющего трансформатора 2 на величину падения напряжения на диоде 10) при том же материале и типоразмере сердечников, то размагничивающая обмотка 9 дросселя насыщения 7 будет иметь небольшое количество витков и незначительную индуктивность по сравнению с обмоткой 5 управляющего трансформатора 2. При больших значениях напряжения на обмотке 5 управляющегоо трансформатора 2 ток рассасывания избыточного заряда из перехода база-коллектор силового транзистора 1 во время полупериода отрицательного управляющего импульса может превышать ток базы силового транзистора 1 и ток через обмотку 8 дросселя насыщения 7 в несколько раз, поэтому количество витков и индуктивность размагничивающей обмотки 9 дросселя насыщения 7 не будут превышать количества витков и индуктивности его обмотки 8, Напряжение на размагничивающей обмотке 9 дросселя насыщения 7 будет незначительным по сравнению с напряжением на обмотке 5 и в результате этого размагничивающая обмотка 9 дросселя насыщения 7 не будет влиять на функционирование обмотки 5 во время как положительного, так и отрицательного управляющего импульсов.При появлении на обмотке 3 прямоугольного импульса отрицательной полярности (интервал времени 1 д, фиг,2,а) на второй 11 и третьей 5 обмотках управляющего тращ:форматора 2 и обмотках 8 и 9 дросселя насыщения 7 наводятся ЭДС, полярность которых на фиг,1 указана в скобках,Под воздействием ЭДС, наведенной в обмотке 3 управляющего трансформатора 2, силовой транзистор 1 закрывается по переходу база-эмиттер,Под воздействием ЭДС, наведенной в обмотке 11 управляющего трансформатора 2, силовойтранзистор 1 закрывается по переходу база-эмиттер,Под воздействием ЭДС, наведенной в обмотке 11 управляющего трансформатора 2 происходит форсированное закрывание1827707 45 50 55 диода 10 вследствие того, что напряжение на обмотке 11 больше напряжения на обмотке 8 дросселя насыщения 7, что способствует форсированному закрыванию перехода база-коллектор силового транзистора 1, т.к, процесс рассасывания неосновных носителей диода 6 не будет влиять на процесс рассасывания неосновных носителей в переходе база-коллектор силового транзистора 1.Под воздействием ЭДС, наведенной в обмотке 5 диод 6 открывается. В результате к переходу база-коллектор силового транзистора 1 прилагается обратное напряжение, способствующее быстрому рассасыванию неосновных носителей в этом переходе (уменьшение времени рассасывания избыточного заряда), уменьшению потерь мощности на выключение в интервале времени с 4-тб (фиг.2), т,е. повышение КПД, уменьшению длительности положительного фронта (интервал времени 1-16, фиг.2 г), уменьшению мгновенной мощности на этапе выключения (повышению надежности). Таким образом введение размагничивающей обмотки 9 дросселя насыщения 7 не влияет на работу форсирующей обмотки 5 управляющего трансформатора 2. Под воздействием ЭДС, наведенной в обмотке 5 управляющего трансформатора 2 во время действия управляющего импульса отрицательной полярности, происходит размагничивание дросселя насыщения 7 за счет протекания через его обмотку 9 тока рассасывания не- основных носителей в переходе база-коллектор силового транзистора 1 по следующей цепи; конец обмотки 5 - обмотка 9 дросселя насыщения 7 - диод 6 - переход коллектор-база силового транзистора 1 - начало обмотки 5, Т.к, величина тока рассасывания неосновных носителей в переходе база-коллектор будет определяться величи 5 10 15 20 25 30 35 40 ной напряжения обмотки 5 и сопротивлением цепи, по которой протекает этот ток, то при больших значениях напряжения на обмотке 5 ток рассасывания может превышать ток базы и ток через обмотку 8 в несколько раз, что гарантирует полное размагничивание дросселя насыщения 7 даже при меньшем количестве витков его размагничивающей обмотки 9 по сравнению с его основной обмоткой 8. Наличие форсирующей обмотки 5 управляющего трансформатора 2 позволяет в некоторой степени уменьшить время рассасывания избыточного заряда и формирования положительного фронта коллекторного напряжения по сравнению с прототипом.При поступлении импульса управления положительной полярности процессы, происходящие в устройстве, повторяются,Формула изобретения Однотактный транзисторный преобразователь, содержащий управляющий трансформатор с двумя вторичными обмотками, первая из которых началом соединена с базой силового транзистора и концом - через резистор с эмиттером силового транзистора, а вторая концом соединена с базой силового транзистора, и первый диод, подключенный первым выводом к коллектору силового транзистора, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения КПД, введен дроссель насыщения с двумя обмотками, первая из которых началом соединена с вторым выводом первого диода и концом объединена с началом второй вторичной обмотки управляющего транзистора, а вторая концом соединена через введенный второй диод с коллектором силового транзистора и началом соединена с концом введенной в управляющий трансформатортретьей вторичной обмотки, начало которой подключено к базе силового транзистора,1827707 КЗ/ 35 40 45 50 Составитель В, Мельничук Редактор В. Трубченко Техред М,Моргентал Корректор И. Шулла Заказ 2361 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород. ул,Гагарина, 101