Управляемый широтно-импульсный модулятор (его варианты)

(9) 4(5 Н 03 К 7/08 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЪСТВ ЕНИЯ ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРЧО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Московский ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетический институт(56) Авторское свидетельство СССР У 1018225, кл. Н 03 К 7/08, 23,07.81.Авторское свидетельство СССР 9 1064363, кл, Н 02 Н 3/08, 1982. (54) УПРАВЛЯЕМЫЙ ШИРОТНО-ИМПУЛЪСНЬ МОДУЛЯТОР (ЕГО ВАРИАНТЫ). (57) 1, Управляемьа широтно-импульсный модулятор, содержащий два трансформатора тока с базовой и силовой обмотками на каждом, два силовых транзистора, объединенные коллекторы которых соединены с первой шиной источника питания, базы - с началами базовых обмоток, а эмиттеры - с концами базовых и началами силовых обмоток соответствующих трансформаторов тока, между объединенными концами силовых обмоток которых и второй шиной источника питания включены соединенные параллельно нагрузка и шунтирующий диод, .выключающий транзистор, эмиттер которого соединен с второй шиной источника питания, а базас первым выходом блока управления, второй выход которого соединен с базой одного из силовых транзисторов, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения быстродействия путем форсированного выключения силовых транзисторов, в него дополнитель. но введен блок выключения, управляющий вход которого соединен с коллектором выключающего транзистора, первый и второй выходы соединены с базами силовых транзисторов соответственно, а третий выход соединен с объединенными концами силовых обмоток трансформаторов тока,11 б 3471 5 2. Модулятор по п.1, о т л ич а ю щ и й с я тем, что в нем блок выключения содержит транзистор противоположного к силовым транзисторам типа проводимости, база которого соединена с управляющим входом, эмит-. тер - с катодами первого и второго диодов, аноды которых соединены с первым и вторым выходами, а коллектор - с первым выводом конденсатора и анодами третьего и четвертого диодов, катоды которых соединены с первым и вторым выходами, а второй вывод .конденсатора - с третьим выходом блока выключения.3, Модулятор по п,1, о т л и - ч а ю щ и й с я тем что в нем блок выключения содержит два транзистора противоположного к силовым транзисторам типа проводимости, змиттеры кото" рых соединены с первым и вторым выходами, базы - с анодами первого и второго диодов, катоды которых соединены с управляющим входом, а коллекторы - с анодом третьего диода и первым вьг водом конденсатора, второй вывод которого и катод третьего диода соединены с третьим выходом блока выключения.4, Модулятор по п.1, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что в нем блок выключения содержит два транзистора противоположного к силовым транзисторам типа проводимости, эмиттеры которых соединены с первым и вторым выхо-, дами, коллекторы - с третьим выходом; а базы - с анодами первого и второго . диодов, катоды которых соединены с управляющим, входом блока выключения, между первым и вторым выходами которого включены соединенные последовательно конденсатор и включенные Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть йспользовано при разработке преобразователей и напряжения с широким диапазоном изменения тока нагрузки, инверторов и преобразователей частоты.Цель изобретения - повышение быстродействия широтно-импульсного встречно-параллельно третий и четвертый диоды,5. Управляемый широтно-импульсный модулятор, содержащий два трансформатора тока с базовой и силовой обмотками на каждом, два силовых транзистора, коллекторы которых объединены, базы соединены с началами базовых обмоток соответствующих трансформаторов тока и анодами выключающих диодов, а эмиттеры - с концами базовых и началами силовых обмоток соответствующих трансформаторов тока, концы силовых обмоток которых объединены, выключающий транзистор, эмиттер которого соединен с первой шиной источника питания, коллектор - с катодами выключающих диодов, а база - с первым выходом блока управления, второй выход которого соединен с базой одного из силовых транзисторов, и соединенные параллельно нагрузку и шунтирующийдиод, отлич ающийс я тем, что, с целью повышения быстродействия путем форсированного выключения силовых транзисторов, в него дополнительно введены два транзистора, два диода и два конденсатора,причем эмиттеры транзисторов соединены с первой шиной источника питания и анодами обоих диодов, баэы -с первым выходом блока управления,а коллекторы - с катодами соответствующих диодов и через соответствующие конденсаторы - с базами силовыхтранзисторов, между объединеннымиколлекторами которых и второй шинойисточника питания включена нагрузка,а объединенные концы силовых обмотоктрансформаторов тока соединены спервой шиной источника питания. модулятора путем форсированного выключения силовых транзисторов.На фиг.1 приведена принципиальная схема управляемого широтно-импульсного модулятора; на фиг.2 - 5 - примеры выполнения блока включения; на фиг.6 - принципиальная схема управляемого широтно-импульсного модулятора при включении нагрузки между плюсовой шиной источника питания и объединенными коллекторами силовых транзисторов; на фиг.7 и 8 - примеры выполнения блока включения. 5Управляемый широтно-импульсный модулятор (фиг.1) содержит два силовых транзистора 1 и 2, объединенные коллекторы которых соединены с плюсовой шиной 3 источника питания, два трансформатора 4 и 5 тока с силовыми обмотками 6 и 7 и базовыми обмотками 8 и 9, причем базы силовых транзисторов 1 и 2 соединены с началами базовых обмоток 8 и 9, а эмиттеры - с концами базовьж и началами силовых обмоток соответствующих трансформаторов 4 и 5 тока, блок 10 управления с включающим выходом 11 и выключающим вьжодом 12, нагрузка 13 с шунтирующим диодом 14 включены параллельно между объединенными концами силовьж обмоток 6 и 7 и минусовой шиной 15 источника питания, выключающий транзистор 16, эмиттер которого со 25 единен с минусовой шиной 15 источника питания, а база - с выключающим выходом 12 блока 1 О управления, вклю" чающий вьжод 11 которого соединен с базой одного из силовых транзисторов 2 через разделительный диод 17, который может входить в состав блока 10 управления, блок 18 выключения управляющий вход 19 которого соединен с коллектором выключающего тран- З 5 эистора 6, а выходы 20 - 22 блока 18 выключения соединены с базами силовых транзисторови 2 и с объединенными концами силовых обмоток трансформаторов 4 и 5 тока соответственно.40Блок 18 выключения (фиг.2) содержит транзистор 23 противоположного к силовым транзисторам типа проводи" мости, база которого соединена с управляющим входом 19, эмиттер - с ка-. 45 тодами диодов 24 и 25, аноды которых соединены с выходами 20 и 21, а коллектор - с первым выводом конденсатора 26 и анодами диодов 27 и 28, катоды которых соединены с вьжодами 20 50 и 21, а второй вывод конденсатора " с выходом 22 блока 18 выключения.Блок 18 выключения (фиг.31 содержит два транзистора 23 и 29, противоположного к силовым транзисторам типа проводимости, эмиттеры которых соединены с выходами 20 и 21, баэыс анодами диодов 24 н 25, катоды которых соединены с управлеецим входом 19, а коллекторы - с анодом диода 27 и первым выводом конденсатора 26, второй вывод которого и катод диода 27 соединены с выходом 22 блока 18 выключения.Блок 18 выключения (фиг.41 содержит два транзистора 23 и 29, противоположного к силовым транзисторам типа проводимости, эмиттеры которых соединены с выходами 20 и 21, коллекторы - с выходом 22, а базы - с анодами диодов 24 и 25, катоды которых соединены с управляющим входом 19 блока 18 выключения, между выходами 20 и 21 которого включены соединенные последовательно конденсатор 26 и включенные встречно-параллельно диоды 27 и 28Блок 18 выключения фиг.5) содержит один транзистор 23 противоположного к силовым транзисторам типа проводимости, коллекторы которого соединены с выходом 22 блока выключения, база - с управляющим входом 19, а эмиттер - с общей точкой катодов диодов 24 и 25, аноды которых соединены с выходами 20 и 21 блока выключения, между выходами 20 и 21 включены соединенные последовательно конденсатор 26 и включенные встречно-параллельно диоды 27 и 28.Управляемый широтно-импульсный мо- - дулятор (фиг.6) содержит силовые транзисторы 1 и 2, плюсовую шину 3 источника питания, трансформаторь 4 и 5 тока, начала силовых обмоток 6 и 7 которых соединены с эмиттерами силовых транзисторов 1 и 2 и концами базовых обмоток 8 и 9 соответственно, начала которых соединены с базами силовых транзисторов 1 н 2 соответст" венно, блок 10 управления с включающим выходом 1 и выключающим выходом 2, нагрузка 13 и шунтирующий диод 14 включены параллельно между плюсовой шиной 3 источника питания и объединенными коллекторами силовых транзис-. торов 1 и 2, минусовая шина 15 источника питания подключена к эмиттеру выключающего транзистора 16 база которого соединена с выключающим выходом 12 блока 10 управления, в состав которого входит диод 17, включенный между включающим выходом 11 и базой одного иэ силовых транзисторов 2, блок 18 выключения, управлянзций вход 19 которого соединен с коллекторомвыключающего транзистора 16, выходы20 и 21 соединены с базами силовыхтранзисторов 1 и 2 соответственно,а выход 22 - с объединенными концамисиловых обмоток 6 и 7, минусовой шиной 15 источника питания и эмиттеромтранзистора 23, выключающие диоды 24и 25, аноды которых соединены с выходами 20 и 21 соответственно, а катоды - с управляющим входом 19 блока 18 выключения, конденсатор 26,включенный между анодом выключающегодиода 24 и объединенными выводамиколлектора транзистора 23 и катодадиода 27, анод которого соединен свыходом 22 блока 18 выключения и ано"дом диода 28, катод которого соединен с объединенными выводами коллектора транзистора 29 и конденсатора30, второй вывод которого соединен свыходом 21 блока 18 выключения, эмиттер транзистора 29 соединен с катодом диода 28, а базы транзисторов 23и 29 соединены с выключающим выходом12 блока 1 О управления,Блок 18 выключения (фиг.7) выполненпо упрощенной схеме и содержитдиоды 24 и 25, катод которых соединен с управляющим входом 19, соединенные последовательно конденсатор26 и диод 27, соединенные последовательно диод 28 и конденсатор 30,причем катоды диодов 27 и 28 соединены с выходом 22 блока 18 выключения, вторые выводы конденсаторов 26и 30 - с выходами 20 и 21 соответственно, а аноды диодов 24 и 25 - скатодами диодов 27 и 28.Блок 18 выключения (фиг.8) содержит транзистор 23, эмиттер которогосоединен с выходом 22, база - с выключающим выходом 12 блока управления, а коллектор - с катодом диода24, анод которого соединен с выходом 20, параллельно диоду 24 включенконденсатор 26, а параллельно транзистору.23 - диод 27, анод которогосоединен с его эмиттером и анодом 28,катод которого соединен с управляющим входом 19, катодом диода 25 ипервым выводом конденсатора 30, второй вывод которого соединен с анодомдиода 25 и выходом 21.блока 18 выключения. Устройство работает следующим. образом.В исходном состоянии силовые транзисторы 1 и 2 заперты, источник пи 5 10 15 26 ЭО ЗЗ 4 М Я тания подключен к шинам 3 н 15 питания. При появления положительного им-, пульса напряжения на включающем выходе 11 блока 10 управления открывается силовой транзистор 2, после повышения напряжения на базе силового транзистора 2 диод 17 запирается и далее этот транзистор 2 поддерживается в открытом состоянии током базовой обмотки 9 за счет положительной обратной связи по току, создаваемой трансформатором 5 тока. После насыщения магнитопровода трансформатора 5 тока происходит включение по коллектору силового транзистора 1, который поддерживается в открытом состоянии за счет действия положительной обратной связи по току в трансформаторе 4 тока, в это время происходит самопроизвольное размагничивание сердечника трансформатора 5 тока, после окончания которого силовой транзистор 2 снова автоматически включается, и ток нагрузки будет протекать параллельно по двум силовым транзисторам 1 и 2. Поскольку время размагничивания магнитопровода трансформатора примерно в 5 раз меньше времени намагничивания, что обусловлено различием в 5 раз напряжений на открытом и запертом переходе база-эмиттер силового транзистора 1 (или 2), то время запертого состояния транзистора 1 2) будет в 5 раз меньше их открытого состояния, причем время запертого состояния одного силового транзистора приходится примерно на середину открытого состояния соседнего транзистора. После автоматического повторного включения силового транзистора 1 первым включается силовой транзистор 2 и в его трансформаторе 4 тока магнитопровод начинает самопроизвольно размагничиваться. Автоматическое включение силовых транзисторов 1 и 2 в открытом состоянии широтно-импульсного модулятора происходит эа счет электромагнитной энергии, запасаемой в емкостях база-эмиттер силовых транзисторов и индуктивностях трансформаторов тока. Благодаря чередованию состояний одиночной и параллельной работы силовых транзисторов пульсации напряжения на нагрузке невелики и не превышают 1 В. Режим автоколебаний будет режимом открытого состояния широтно-импульсного модулятора. Во время запертого состояния силового транзистора 1 (2) на базовой обмотке соответствующего трансформатора тока возникает напряжение обратной полярности около 5 В, которое че рез диоды 28 и 27 (фиг.2 ) заряжает конденсатор 26 до напряжения около 5 В, причем плюс этого напряжения оказывается на обкладке конденсатора, соединенной с выходом 22. При 1 О появлении положительного напряжения на выключающем выходе 12 блока 10 управления открывается выключающий транзистор 16 и начинает протекать ток по пути; базы силовых транзисто З ров 1 или 2, выходы 20 и 21 блока 18 выключения, диоды 24 и 25 (фиг.2), переход база-эмиттер транзистора 23, Этот ток открывает транзистор 23 и напряжение конденсатора 26 прикладьг 3 вается к переходам база-эмиттер силовых транзисторов 1 и 2 в запирающем направлении и осуществляет быст" рое (формированное) выключение их, после этого силовые транзисторы 1 и ЙЗ 2 остаются в запертом состоянии, пока есть напряжение на выходе 12 блока 1 О управления.В блоке управления регулируется время подачи напряжения на выходы 11 щ и 12 и тем самым осуществляется регулирование среднего напряжения на нагрузке 13. В течение запертого состояния силовых транзисторов 1 и 2 ток нагрузки замыкается по шунтирую-щему диоду 14. Во втором варианте блока 18 выключения (фиг.З) конденсатор 26 заряжается во время запертого состоя- .40 ния силовых транзисторов 1 и 2 через коллектор-эмиттерные переходы транзисторов 23 и 29 с той же полярностью, При появлении положительно, го импульса на выходе 12 блока 1 О 4 управления открывается выключающий транзистор 16 и открываются транзисторы 23 и 29, а напряжение конденсатора 26 выключает силовые транзисторы 1 и 2. При этом ток базы сило- Ф вых транзисторов 1 и 2 реверсирует и протекает по контурам: вывод 20 (21), диод 24 (25 ), переход эмиттербаза транзистора 29 23), коллекторэмиттер выключающего транзистора,)6. ЗЗ При этом частично происходит протека. ние тока через диод, 27 после разрядаконденсатора 26. В третьем варианте блока 18 вьг ключения (фиг.4) при выключении ток базы силовых транзисторов протекает по путям: вывод 20 (21), эмиттер-база транзистора 29 (23), диод 24 (25), коллектор-эмиттер выключающего транзистора 16. Частично он замыкается по переходу эмиттер-коллектор транзистора 23 (29). Конденсатор 26 заряжается по этой схеме через диоды 27 и 28 в момент запирания одного из силовых транзисторов 1 или 2. После окончания действия размагничивающейЭДС этот конденсатор, отдавая свою энергию, прийудительно размагничивает надежное повторное включение силовых транзисторов в режиме автоколебаний и более четкое синхронное выключение силовых транзисторов в режиме широтно-импульсной модуляции.В четвертом варианте блока 18 выключения (фиг.5) конденсатор 26 и диод 27 (28) работают так же, как в предыдущем, а ток базы силовых транзисторов протекает при выключении сначала по диоду 24 (25) затем переходу эмиттер-база транзистора 23, коллектор-эмиттер выключающего транзистора 16. В этом варианте уменьшен ток, замыкающийся между выводами 20 и 22, 21 и 22, так как на этом пути есть диоды 24 (25) и переход эмиттерколлектор транзистора 23. Для маломощных схем это допустимо и позволяет уменьшить число транзисторов в блоке 18 выключения.При включении нагрузки между плюсовсф шиной 3 источника питания (фиг.6) и объединенными коллекторами силовых транзисторов 1 и 2 единственной возможностью осуществить быстрое отключение транзисторов 1 и 2 является применение коммутирующих конденса. торов 26 и 30 в блоке 18 выключения. Включение модулятора происходит так же, как иварианта по фиг.1, и режим автоколебаний в состоянии "Включено" происходит в этой схемеаналогично, При этом во время запертого состояния силовых транзисторов 1 и 2 происходит заряд конденсаторов 26 и 30 через диоды 27 и 28 с плюсом на нижней обкладке. При подаче открывающего импульса на базу транзисторов 23 и 29, которые открываются синхронно с выключающим транзистором 6, напряжение этих конденсаторов прикладывается к переходам база-эмиттер силовыдтранзисторов 1 и 2 в запирающем направлении и осуществляется форсированное их отключение. В течение нулевой паузы открытый выключающий транзистор 16 поддерживает устойчивое запер- З тое состояние транзисторов 1 и 2,Во втором варианте блока 18 выключения (фиг7) конденсаторы 26 и 30 заряжаются через диоды 27 и 28 во время автоколебаний в моменты размагО ничивания сердечников трансформаторов тока. При открывании выключающего транзистора 16 их напряжения через диоды 24 и 25 и переход коллектор-эмиттер выключающего транзистора 16 прикладывается к переходам база-эмиттер силовых транзисторов и выключает их. Этот вариант рекомендуется для маломощных схем.В третьем варианте блока 18 выклю чения (фиг.8заряд коммутирующих конденсаторов 26 и 30 осуществляется через диоды 27 и 28 во время запертого состояния силовых транзисторов 1 и 2 в режиме автоколебаний. При от- ф 5 крывании транзисторов 16 и 23 напряжение конденсаторов 26 и 30 запирает силовые транзисторы 1 и 2. Благодаря диодам 24 и 25, включенным параллельно конденсаторам 26 и 30, повышается ЗО устойчивость запертого состояния транзисторов 1 и 2.Во втором варианте блока 18 выключения (фиг.7) конденсаторы 26 и 30 заряжаются через диоды 27 и 28 во время автоколебаний в моменты раэмагничивания сердечников трансформаторов тока. При открывании выключающего транзистора 16 их напряжения через диоды 24 и 25 и переход коллектор-эмиттер выключающего транзистора 16 прикладывается к переходам база-эмиттер силовых транзисторов и выключает их. Этот вариант рекомендуется для маломощных схем.В третьем варианте блока 18 выключения фиг,8 заряд коммутирующих конденсаторов 26 и 30 осуществляется через диоды 27 и 28 во время запертого состояния силовых транзисторов 1 и 2 в режиме автоколебаний, При о гкрывании транзисторов 16 и 23 напряжение конденсаторов 26 и 30 запирает силовые транзисторы 1 и 2. Благодаря диодам 24 и 25, включенным параллельно конденсаторам 26 и 30, повышается устойчивость запертого состояния транзисторов 1 и 2.Таким образом, введением в управ- ляемый широтно-импульсный модулятор дополнительных конденсаторов, диодов и транзисторов позволяет эа счет форсированного выключения силовых транзисторов зарядом коиценсаторов существенно уменьшить длительность фронтов формируемых импульсов эадерж ки выключения, В свою очередь, это позволяет повысить рабочую частоту широтно-импульсного модулятора и получить высокие энергетические покаэатели во всем диапазоне изменениянагрузок,ктор Е.Сирохман Редактор Н.Яцо Заказ 4113 5 Тираж 82 КИПИ Государственного по делам изобретений 3035, Москва, Ж, Р Подпис омитета ССС