Преобразователь постоянного напряжения

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЬКИХРЕСПУБЛИК ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУг ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАЮ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬПИЙ(71) Киевский ордена Ленина политехнический институт им.50-летия Великой Октябрьской социалистическойреволюции(56) 1. Ромаш Э,М. Источники вторичного электропитания радиоэлектроннойаппаратуры, М., 1 Радио и связь,1981, с. 140-147.2. Авторское свидетельство СССРР 744985, кл. Н 03 К 17/60, 1980,3. Моин В,С., Лаптев Н.Й. Стабилизированные транзисторные преобразо-),ватели. М., фф.Энергияфф. 1972, с.130.рис. 5-10 а,(54)(57) 1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий инвертор напряжения, выполненный по мостовой схеме на силовых транзисторах,зашунтированных обратными диодами,блок управления которого содержитпоследовательно соединенные задающийгенератор, фаэорасщепитель и основной усилительно-раэвязывающий узел,каждый иэ четырех выходов которогочерез соответствукщий узел задержкиподключен к входу соответствукщегосилового транзистора, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышениянадежности за счет увеличения нагрузочной способности путем уменьшениядинамических потерь, возникающих вмоменты включения силовых транзисторов, в инвертор введены четыре транзисторно-тиристорных ключа, каждыйиэ которых включен согласно параллельно соответствующему силовомутранзистору и выполнен в виде последовательно соединенных коммутирующего транзистора, параллельно силовой цепи которого включен резистор,и тиристора, а блок управления снаб 3(5 п Н 02 М 7/537 у Н 02 Р 13/18 жен двумя дополнительными уяилительно-развяэывакщими узлами, выходы первого из которых связаны с цепями управления коммутирующих транзисторов, а выход второго - с цепями управления тиристоров, и кроме того, распределителем импульсов, вход которого подключен к выходу задающего генератора, а два выхода подсоедине ны соответственно к входам элементов совпадения, один иэ входов первого из которых подключен к выходу задаю" щего генератора, а один иэ входов второго элемента совпадения подключен к выходу первого элемента совпадения, четырехканальным дешифратором, первые два входа которого под-ключены к выходам фазорасщепителя, а вторые - соответственно к выходам первого и второго элементов совпад ния, причем выходы первого и второ каналов дешифратора связаны с вход первого дополнительного усилительно- Я раэвяэывающего узла, а выходы третьего и четвертого каналов - с входами второго дополнительного усилительно-развязывакщего узла.2. Преобразователь по п. 1, о т" л и ч а ю щ и й с я тем, что распределитель импульсов выполнен в виде К-отводной линии задержки, вход которой образует вход распределителя. импульсов, а первый и последний выводы К-отводной линии задержки образуют соответственно первый и второй выходы распределителя импульсов.3. Преобразователь по п. 1, о тличающийс ятем, чтоуэел задержки выпблнен в виде согласо" ванной линии задержки. вход которой образует. вход узла задержки, на выходе которой установлен согласующий каскад, нагруженный на ключевой элемент, выполненный в виде транзистора, включенного по схеме с общим коллектором, причем выход ключевого элемента образует выход узла задержки.5 ф Изобретение относится к преобразовательной технике и может бытьиспользовано в качестве преобразователя с высокой нагрузочной способностью, в частности, при построенииисточников вторичного электропитания в качестве преобразователя постоянного напряжения в высокочастотное переменное с последующим выпрям-лением высокочастотного переменногонапряжения, а также в качестве инверторной ячейки при построении преобразователей частоты с квазисинусоидальным выходным напряжением,Известен инвертор напряжения, выполненный по мостовой схеме на силовых транзисторах с обратными диодами, включенными параллельно силовымтранзисторам 1 .Недостатком данного инвертора на-пряжения являются значительные динамические потери, вызванные протеканием сквозных токов в силовых транзисторах инверторов, что обуславливает низкие энергетические характеристики и низкую надежность функционирования указанного инвертора напряжения.Известен инвертор напряжения, выполненный на силовых транзисторныхключах, каждый из которых содержитбазовый диод,ограничивающий резис:тор, диод обратного смещения, диоднелинейной обратной связи, а такжеуправляемый дроссель насыщения 2 .Недостатками известного инвертора,напряжения являются низкая технологичность изготовления, обусловленная,наличием в его составе йестандартных моточных элементов - управляемыхдросселей насыщения, а также значительные динамические потери в моменты 40включения силовых транзисторов,Наиболее близким по техническойсущности к предлагаемому являетсяпреобразователь постоянного напряжениясодержащий инвертор, выполненный 45по мостовой схеме на силовых транзисторах, зашунтированных обратными диорами, при этом блок управления инвертора содержит последовательно соединенные задающий генератор фазорасщепитель и основной усилительно-раэвязывакиций узел, а также четыре узлазадержки, каждый из которых включенмежду одним из выходов основногоусилительно-развязывающего узла ицепью управления соответствующегосилового транзистора 3 .Однако известное устройство характеризуется значительными динамическими потерями в моменты включения силовых транзисторов, Это объясняется 0тем, что в момент включения силовоготранзистора к нему прикладываетсяполное напряжение питания и ток нагрузки, протЕкающий через этот транзистор, вызывает выделение на нем 65 значительной мгновенной мощности. Описанное явление особенно проявляется на высокой частоте преобразователя при работе инвертора напряжения на выпрямитель со сглаживающим фильтром. При этом повышенные динамические по- терн в ключах вызваны возникновением режимов кратковременного короткого замыкания для инвертора в моменты времени коммутации тока вентилей выпрямителя, При этом силовые транзисторы переходят из режима насыщения в активный режим работы и на них выделяется значительная мгновенная мочность. Это снижает нагрузочную способность инвертора напряжения, а следовательно, и его надежность при повышенных токах нагрузки и при работе на выпрямитель со сглаживающим фильтром.Цель изобретения - повышение надежности за счет увеличения нагрузочной способности инвертора напряжения путем уменьшения динамических потерь, возникающих в моменты включения силовых транзисторов.Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь постоянного напряжения содержащий инвертор напряже" ния, выполненный по мостовой схеме на силовых транзисторах, зашунтированных обратными диодами, блок управления которого содержит последовательно соединенные задающий генератор, фазорасщепитель и основной усилительно-раэвязывающий узел, каждый из четырех выходов которого через соответствующий узел задержки подключен к входу соответствующего силового транзистора, в инвертор введены четыре транзисторно-тиристорных ключа, каждый из которых включен согласно параллельно соответствующему силовому транзистору и выполнен в виде последовательно соеди. ненных коммутирующего транзистора, параллельно силовой цепи которого включены резистор, и тиристора, а блок управления снабжен двумя допол" нительными усилительно-развязывающими узлами, выходы первого из которых связаны с цепями управления коммутирующих транзисторов, а выходы второго с цепями управления тиристорой, и кроме того, распределителем импульсов, вход которого подключен к выходу задаЬцего генератора, а два выхода подсоединены соответственно к входам элементов совпадения, один из входов первого из которых подключен к .выходу, задающего генератора, а один из входов второго элемента совпадения подключен к .выходу первого элемента совпадения, четырехканальным дешифратором, первые два входа ко" торого подключены к выходам фазорасщепителя, а вторые - соответственно к выводам первого и второго элемен-. тов совпадения, причем выходы первого и второго каналов деыифратора, ф связаны с входами первого дополнительного усилительно-развязывакщего узла, а выходы третьего и четвертого каналов - с входами второго дополнительного усилитель-развязываю- щего узла.При этом распределитель импульсов выполнен в виде К-отводной линии задержки, вход которой образует вход распределителяимпульсов, а первый и последйий выводы К-отводной линии задержки образуют соответственно первый и второй выходы распределителя импульсов.Узел задержки выполнен в виде согласованной линии задержки, вход которой образует вход узла задержки, на выходе которой установлен согласующий каскад, нагруженный на ключевой элемент выполненный в виде транзистора, включенного по схеме с общим коллектором, причем выход ключевого элемента образует выход узла задержки.Ца фиг. 1 представлена структурная схема преобразователя постоянного напряжения; на фиг. 2 - принципи-. альная схема силовой части устрой" ства на фиг. 3 - примеры выполнения схем Фаэорасщепителя, распределителя импульсов, схем совпадения и дешифра" тора) на фиг 4 - пример выполнения узла задержки; на Фиг. 5 временные диаграммы, пояснякщие принцип работц данного преобразователяПреобразователь напряжения содержит инвертор 1 и блок 2 его управления. Инвертор 1 напряжения (Фиг. 2) выполнен по.мостовой схеме на силовых транзисторах 3.1 - 3.4 с обратными диодами 41 - 4.4, включенными параллельно силовым транзисторам 3.1 - 3.4. Кроме того, параллельно каждому силовому транзистору 3.1 3.4 включены в прямом направлении по отношению к источнику питания инвертора транзисторно"тиристорные ключи 5.1 - 5,4, выполненные в виде последовательно соединенных коммутирующих транзисторов 6.1 - 6.4, параллельно которым установлены резисторы 7.1 - 7.4 и тиристоры 8.1 - 8.4. 10 фазорасщепитель 10 может быть 40 выполнен на одном триггере, работающем в счетном резиме.Элементы 16 и 17 совпадения могутбыть построены по идентичным схемамна трех логических элементах И-НЕ 45 каздая.Четырехканальный дешифратор 22может быть построен на четырех логических элементах И-НЕ.Узлы 12;1 за;,ержки (см. Фиг. 4)выполнены по идентичным схемам. Каждый узел 12.1 задержки содержит линию 31 задержки,согласованную реэис-фтором 32,вход которой образует входузла задержки. Выход линии 31 задержки подключен к согласующему каскаду,выполненному на транзисторе 33 и наг.руженному через резистор 34 на ключевой элемент. 35, выполненный в видетранзистора, который включен междупоследовательно соединенными ограии чивающим резистором 36, базовымдиодом 37 и базой силового транзистора 3.1. Между коллектором силовоготранзистора 3.1 и анодом базовогодиода 37 включен диод 38 нелинейной 65 обратной связи, а весь узел задержБлок 2 управления (Фиг1) иивертора напряжения содержит последовательно соединенные задающий генератор 9, фазорасщепитель 10 и основ 1 ной усилительно-развязывающий узел 11, а также четыре узла 12.1 - 12.4 задержки, каждый из которых включен между одним из выходов основного усилительно-развязывающего узла 11 и цепью управления соответствующего силового транзистора 3.1 - 3,4. Помимо того, блок 2 управления содержит два дополнительных усилительно- развязывающих узла 13 и 14, первый Р из которых 13 выходами связан с цепями управления коммутирующих тран" зисторов 6.1 - 6.4, а второй 14 -.с цепями управления тиристоров 8.1 8.4, распределитель 15 импульсов, имеющий два выхода, входом подключенный к выходу эадакщего генератора 9, два двухвходовых элемента 16 и 17 совпадения, первый из которых 16 одним входом 18 подключен к выходу задающего генератора 9, а вторым входом 19 - к второму выходу распределителя 15 импульсов, причем второй элемент 17 совпадения первым входом 20 подключен к выходу первого 15 элемента совпадения 16, а вторымвходом 21 - к первому выходу распре"делителя 15.импульсов, четырехканальный дешифратор 22, имеющий четыревхода, первые два иэ которых 23 и 24 20 подключены к выходам фазорасщепителя10, а вторые 25 и 26 - к выходамэлементов 16 н 17 совпадения соответственно. Выходы 27 и 28 первого нвторого каналов дешифратора 22 свя заны с входами второго дополнительного усилительно-развязывающего узла14, а выходы 29 и ЗО третьего и четвертого канала дещифратора 22 - свходами первого дополнительного усилительно-развязывающего узла 13З 0 Распределитель 15 импульсов(Фнг. 3) выполнен в виде К-отводиойлинии задержки, вход которой .образует вход распределителя импульсов,а первый и последний выводы К-отвод ной линии задержки образуют соответственно первый и второй выходы рас. пределителя щазульсов.39 обратного 5 ф транзистора 3.1. Через время, достаточное для полного открывания силового транзистора 3.1 транзисторнотиристорный ключ 5.1 закрывается путем запирания коммутирующего транзистора 6.1 и снятия импульса управления с тиристора 8,1.Блок управления инвертора напряже"З 5 ния обеспечивает формирование на выходе трех последовательностей импульсов:последовательности управляющих импульсов, поступающих в цепь управле 40 45 50 55 ления основным усилительно-развязыва21 и 19 элементов 17 и 16 совпадения. 5 ки эашунтирован диодомсмещения.Усилительно-развяэывающие узлы11,13 и 14 построены по идентичноймостовой схеме инвертора напряженияс трансформаторным выходом,В данном устройстве обеспечиваетсятакой алгоритм работы силовых ключей,при котором в первую очередь включается коммутирующий транзистор 6.1.Через. время, достаточное для эапирания силового транзистора 3.1, работавшего в стойке инвертора ранее,включается тиристор 8,1. При этомтранзисторно-тиристорный ключ 5,1открывается и принимает на себя весьток нагрузки. Следует отметитьчтокоммутирующий транзистор 61 начинает пропускать ток нагрузки будучинасыщенным, и все динамические потери оказываются локализованными втиристоре 8.1. Резистор 7,1 ограничивает скорость нарастания напряжения на тиристоре 8,1. Через время,достаточное для спада напряжения наоткрытом транзисторно-тиристорномключе 5.1 до нуля, включается силовой транзистор 3,1, что обеспечивает обл егч ен ный режим включенй я силового ния коммутирующим транзистором; последовательности управляющих импуль сов, поступающих на управляющий электрод тиристора; последовательностиуправляющих импульсов, поступающихв цепь. управления силовым транзистором. Рассмотрим принцип действия предлагаемого преобразователя используя временные диаграммы, приведенные наФиг. 5. Эадающий генератор 9 блока 2 управ ления инвертора напряжения формируетна выходе импульсное напряжение 40,которое поступает на входы фазорасщепителя 10 и распределителя 15 импульсов, а также на вход 18 элемента16 совпадения. На выходах фазорасщепителя 10 при этом вырабатываютсяимпульсные напряжения 41 и 42 управющим узлом 11 и дешифратором 22, ана выходах распределителя 15 импульсов - импульсные напряжения 43 и 44,поступающие соответственно на входы 10 15 20 При этом на выходе элемента 17 сов-падения формируется импульсное напряжение 45, а на выходе элейента 16 совпадения - импульсное напряжение 46. При совпадении импульсного напряжения 45 с импульсным напряжением 41 на выходе 29 дешифратора 22 Формируется импульсное напряжение 47, а при совпадении импульсного напряжения 45с импульсным напряжением 42 на выходе30 дешифратора 22 формируется импульсное напряжение 48. Импульсные напряжения 47 и 48 далее поступают на входы дополнительного усилительно-развязывающего узла 13, .с выходных обмотоктрансформатора которого снимаются последовательности управляющих импульсов 49, поступающие в цепь управления коммутирующими транзисторами 6.1 - 6.4. При совпадении импульсного напряжения 46 с импульсным напряжением 41 на выходе 27 дешифратора 22 формируетсяимпульсное напряжение 50 а при совпадении импульсного напряжения 46 с им"пульсным напряжением 42 на выходе 28дешифратора 22 формируется импульсное напряжение 51. Импульсные напряжения 50 и 51 далее поступают на входы дополнительного усилительно-развязывающего узла 14, с выходных обмоток трансформатора которого снимаются последовательности управляющих импульсов 52, поступающих на управляющие электроды тиристоров.8.1 - 8.4С выходных обмоток трансформатора основного усилительно-развязнвающего узла 11 последовательности импульсов 53 поступают на узлы 12,1 - 12.4 задержки. С приходом импульса управления через время, определяемое временем задержки управляющего сигнала 53 линией 31 задержки, открываются согласующий транзистор 33 и ключевой элемент 35, При этом в базовой цепи силового транзистора 3,1 начинает протекать .базовый ток 54, Силовой транзистор 3.1 начинает отпираться и через время, величина которого определяется частотными свойствами транзистора, переходит в состояниенасыщения, степень которого ограничена за счет отрицательной обратной связи по току, осуществляемой через диод нелинейной обратной связи 38. При появлении запирающего напряжения на входе узла 12.1 задержки силовой транзистор 3.1 начинает переходить в запертое состояние. За счет наличия активного запирания силового транзистора 3,1 через диод обратного смещения 39, а также за счет незначительной степени насыщения силового транзистора 3.1 его коллекторный ток 55 начинает уменьшаться в тот же момент времени. Вследствие этого время выключения силовго транзистора 3,1 уменьшается по сравнению с сильнонасыщенным режимом работы, в котором моменту начала снижения коллекторного тока предшествует интервал рассасывания неосновных носителей в базе.К моменту включения силового транзистора падение напряжения 56 на нем оказывается равным суммарному падению напряжения на открытых коммутирующем транзисторе и тиристоре. Этим значительно уменьшена мгновенная мощность, выделяющаяся на силовом тран О эисторе при его включении, и следовательно, значительно облегчен режим его работы.Тиристор, входящий в состав транзисторно-тиристорного ключа, обладающий большей, чем силовой транзйстор перегрузочной способностью, принимает на себя ток нагрузки при приложенном к нему полном напряжении питания, так как коммутирующий транзистор начинает пропускать ток будучи насыщенным, При этом время работы транзисторно-тиристорного ключа по отношению к длительности работы силового транзистора незначительно. При включении силового транзистора ток транзисторно-тирнсторного ключа переходит в коллекторную цепь силового транзистора, причем ве,личина его при этом определяется лишь величиной тока нагрузки. Таким образом, в предлагаемом преобразователе значительно повышается нагруэочная способность инвертора эа счет снижения динамических потерь, воэникакщих в моменты включения силовых транзисторов.