Ключевой элемент

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в источниках вторичного электропитания устройств радиотехники, автоматики и вычислительной техники. Технический результат изобретения состоит в расширении функциональных возможностей ключевого элемента за счет распространения его применения в повышающе-понижающих преобразователях с двухобмоточным дросселем. Сущность изобретения заключается в том, что для обеспечения «мягкого» включения силового транзистора второй дроссель через дополнительный выходной вывод ключевого элемента включен в цепь второй обмотки двухобмоточного дросселя повышающе-понижающего преобразователя напряжения, а для уменьшения перенапряжения на силовом транзисторе после «мягкого» отключения из-за скачкообразного увеличения тока во втором дросселе, введена дополнительная цепочка из пятого диода и второго конденсатора, шунтирующая второй дроссель, четвертый диод необходим для перезаряда второго конденсатора. 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в источниках вторичного электропитания устройств радиотехники, автоматики и вычислительной техники.

Известен преобразователь напряжения, содержащий силовые ключи, включенные по мостовой схеме, силовой трансформатор, первичная обмотка которого включена в диагональ моста, а вторичная обмотка силового трансформатора подключена к нагрузке через дроссель насыщения, силовой выпрямитель и LC-фильтр, каждый силовой ключ состоит из силового транзистора, обратного диода и конденсатора, соединенных параллельно [1].

В известном преобразователе переключение силовых ключей любого плеча осуществляется с задержкой, за время которой шунтирующие емкости этого плеча перезаряжаются током намагничивания силового трансформатора, дроссель насыщения во вторичной обмотке трансформатора увеличивает долю энергии намагничивания силового трансформатора, которая может быть затрачена на перезаряд шунтирующих конденсаторов, так как кратковременно отключает вторичную обмотку силового трансформатора от нагрузки при коммутации, устраняя эффект перехода тока намагничивания во вторичную обмотку силового трансформатора, увеличивая допустимый диапазон изменения нагрузки и регулирования для «мягкой» коммутации силовых транзисторов.

Однако известное техническое решения не может быть использовано в однотактных преобразователях напряжения.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является ключевой элемент, имеющий входной, выходной и общий выводы, состоящий из силового транзистора, трех диодов, двух дросселей и конденсатора, первый дроссель, первый и второй диоды соединены между собой последовательно, аналогично соединены между собой силовой транзистор, третий диод и второй дроссель, при этом первый дроссель и силовой транзистор соединены с входным выводом ключевого элемента, а второй диод и второй дроссель - с общим выводом ключевого элемента, направление включения третьего диода встречно-последовательно силовому транзистору, а направление включения первого и второго диодов встречно-параллельно силовому транзистору, общая точка силового транзистора и третьего диода соединена с выходным выводом ключевого элемента, один вывод конденсатора соединен с общей точкой первого и второго диодов, второй вывод конденсатора соединен с выходным выводом ключевого элемента [2].

Известный ключевой элемент предназначен для использования в однотактных понижающих преобразователях напряжения, он обеспечивает «мягкую» коммутацию силового транзистора за счет перезаряда своих реактивных элементов, обеспечивая его включение с нарастанием тока при нулевом напряжении, а отключение с нарастанием напряжения при нулевом токе. При этом энергия, накопленная в реактивных элементах, не выделяется в виде тепла, а отдается во входной источник и нагрузку.

Однако известный ключевой элемент не предназначен для использования в однотактном понижающе-повышающем преобразователе напряжения с двухобмоточным дросселем [3].

Цель предлагаемого изобретения состоит в расширении функциональных возможностей ключевого элемента за счет распространения его применения в повышающе-понижающем преобразователе с двухобмоточным дросселем.

Поставленная цель достигается тем, что в известный ключевой элемент, имеющий входной, выходной и общий выводы, состоящий из силового транзистора, трех диодов, двух дросселей и одного конденсатора, первый дроссель, первый и второй диоды соединены между собой последовательно, при этом первый дроссель соединен с входным выводом ключевого элемента, а второй диод - с общим выводом ключевого элемента, силовые выводы силового транзистора соединены с входным и выходным выводами ключевого элемента, первый конденсатор, третий диод и второй дроссель соединены между собой последовательно, при этом второй дроссель соединен с общим выводом ключевого элемента, а первый конденсатор - с общей точкой первого и второго диодов, направление включения первого и второго диодов встречно-параллельно силовому транзистору, направление включения третьего диода согласно-параллельно второму диоду, для использования в повышающе-понижающем преобразователе с двухобмоточным дросселем введены дополнительный выходной вывод ключевого элемента, второй конденсатор, четвертый и пятый диоды, четвертый и пятый диоды соединены между собой последовательно, при этом четвертый диод соединен с общей точкой первого диода, второго диода и первого конденсатора, а пятый диод соединен с общим выводом ключевого элемента, один вывод второго конденсатора соединен с общей точкой четвертого и пятого диодов, а второй вывод второго конденсатора - с общей точкой третьего диода и второго дросселя, направление включения четвертого и пятого диодов согласно-параллельно второму диоду, общая точка первого конденсатора и третьего диода соединена с дополнительным выходным выводом ключевого элемента.

Сущность изобретения заключается в том, что для обеспечения «мягкого» включения силового транзистора второй дроссель через дополнительный выходной вывод ключевого элемента включен в цепь второй обмотки двухобмоточного дросселя повышающе-понижающего преобразователя напряжения, а для уменьшения перенапряжения на силовом транзисторе после «мягкого» отключения, введена дополнительная цепочка из пятого диода и второго конденсатора, шунтирующая второй дроссель, четвертый диод необходим для перезаряда второго конденсатора.

Дополнительная шунтирующая цепочка из четвертого диода и второго конденсатора начинает работать при появлении тока в третьем диоде, ток, который в свою очередь появится только после перезаряда первого конденсатора через второй диод при «мягком» отключении силового транзистора, дополнительная шунтирующая цепочка не работает при включении ключевого элемента, не препятствуя «мягкому» включению силового транзистора.

На чертеже представлена схема однотактного повышающе-понижающего преобразователя напряжения с двухобмоточным дросселем, использующая предлагаемый ключевой элемент.

Однотактный повышающе-понижающий преобразователь напряжения с двухобмоточным дросселем состоит из ключевого элемента 1, двухобмоточного дросселя 2, нагрузки 3 и двух конденсаторов 4 и 5, ключевой элемент 1 имеет входной, два выходных и общий выводы, входной вывод ключевого элемента 1 соединен с входной U_п шиной питания преобразователя, общий вывод ключевого элемента 1 соединен с общей U₀ шиной преобразователя, начальный вывод первой обмотки двухобмоточного дросселя 2 соединен с первым выходным выводом ключевого элемента 1, начальный вывод второй обмотки двухобмоточного дросселя 2 соединен со вторым выходным выводом ключевого элемента 1, конечный вывод первой обмотки двухобмоточного дросселя 2 соединен с общей U₀ шиной преобразователя, конечный вывод второй обмотки двухобмоточного дросселя 2 соединен с выходной U_н шиной преобразователя, нагрузка 3 подключена к выходной U_н и общей U₀ шинам преобразователя, конденсатор 4 соединен с начальными выводами первой и второй обмоток двухобмоточного дросселя 2, конденсатор 5 подключен к выходной U_н и общей U₀ шинам преобразователя.

Ключевой элемент 1 состоит из силового транзистора 6, двух дросселей 7, 8, двух конденсаторов 9, 10 и пяти диодов 11-15, силовые выводы силового транзистора 6 соединены с входным и первым выходным выводами ключевого элемента 1, дроссель 7 и диоды 11, 12 соединены между собой последовательно, при этом дроссель 7 соединен с входным выводом ключевого элемента 1, а диод 12 - с общим выводом ключевого элемента 1, направление включения диодов 11 и 12 встречно-параллельно силовому транзистору 6, диоды 13 и 14 соединены между собой последовательно, при этом диод 13 соединен с общей точкой диодов 11 и 12, а диод 14 - с общим выводом ключевого элемента 1, направление включения диодов 13 и 14 согласно-параллельно диоду 12, диод 15 и дроссель 8 соединены между собой последовательно, при этом дроссель 8 соединен с общим выводом ключевого элемента 1, а диод 15 - с дополнительным выходным выводом ключевого элемента 1, направление включения диода 15 согласно-параллельно диоду 13, один вывод конденсатора 9 соединен с общей точкой диодов 11-12, а второй - с дополнительным выходным выводом ключевого элемента 1, один вывод конденсатора 10 соединен с общей точкой диодов 13 и 14, а второй - с общей точкой диода 15 и дросселя 8.

В однотактном повышающе-понижающем преобразователе напряжения с двухобмоточным дросселем ключевой элемент 1 работает следующим образом, в режиме паузы, при отключенном силовом транзисторе 6, через дроссель 8 и диод 15 протекает ток, накопленный в обмотках двухобмоточного дросселя 2, при включении силового транзистора 6, ток дросселя 8 препятствует увеличению тока силового транзистора 6 и одновременно способствует быстрому уменьшению напряжения на нем, обеспечивая мягкое включение силового транзистора 6, в режиме потребления, при включенном силовом транзисторе 6, через него протекает суммарный ток обмоток двухобмоточного дросселя 2, при отключении силового транзистора 6, его ток переключается на цепочку из диода 12 и конденсатора 9, скорость перезаряда конденсатора 9 определяет скорость увеличения напряжения на силовом транзисторе 6, способствуя его мягкому отключению, при полном разряде конденсатора 9 суммарный ток обмоток двухобмоточного дросселя 2 переключается с диода 12 на диод 15, который в свою очередь приводит к скачкообразному увеличению тока в дросселе 8, шунтирующая дроссель 8 цепочка из диода 14 и конденсатора 10 ограничивает скорость нарастания тока в дросселе 8 и следовательно ограничивает его перенапряжение, и соответственно ограничивает перенапряжение силового транзистора 6 на начальном участке после отключения, диод 13 необходим для сброса напряжения с конденсатора 10.

Таким образом, дополнительно введенный выходной вывод позволяет использование предложенного ключевого элемента в однотактном повышающе-понижающем преобразователе с двухобмоточным дросселем, а дополнительно введенные два диода и конденсатор ограничивают перенапряжение силового транзистора 6 на начальном участке после отключения.

Список литературы

1. Патент РФ на изобретение №2145145, МПК⁷ Н02М 3/28, 3/337, 27.01.2000. Бюл.№3.

2. United States Patent, 5,260,607. Snubber circuit for power converter. / Yoshihide Kinbara // Nov.9, 1993.

3. Авторское свидетельство СССР №1283907, Однотактный преобразователь постоянного напряжения. / Ю.М.Казанцев, Е.Н.Патлахов, В.Г.Солдатенко // Открытия. Изобретения, 1987, №2.

Ключевой элемент, имеющий входной, выходной и общий выводы, состоящий из силового транзистора, трех диодов, двух дросселей и одного конденсатора, силовые выводы силового транзистора соединены с входным и выходным выводом ключевого элемента, первый дроссель, первый и второй диоды соединены между собой последовательно, при этом первый дроссель соединен с входным выводом ключевого элемента, а второй диод - с общим выводом ключевого элемента, направление включения первого и второго диодов встречно-параллельно силовому транзистору, первый конденсатор, третий диод и второй дроссель соединены между собой последовательно, при этом второй дроссель соединен с общим выводом ключевого элемента, а первый конденсатор - с общей точкой первого и второго диодов, направление включения третьего диода согласно-параллельно второму диоду, отличающийся тем, что для применения в повышающее-понижающем преобразователе с двухобмоточным дросселем введены дополнительный выходной вывод ключевого элемента, второй конденсатор, четвертый и пятый диоды, четвертый и пятый диоды соединены между собой последовательно, при этом четвертый диод соединен с общей точкой первого диода, второго диода и первого конденсатора, а пятый диод - с общим выводом ключевого элемента, один вывод второго конденсатора соединен с общей точкой четвертого и пятого диодов, а его второй вывод - с общей точкой третьего диода и второго дросселя, направление включения четвертого и пятого диодов согласно-параллельно второму диоду, общая точка первого конденсатора и третьего диода соединена с дополнительным выходным выводом ключевого элемента, начальный вывод первой обмотки двухобмоточного дросселя соединен с первым выводом ключевого элемента, начальный вывод второй обмотки двухобмоточного дросселя соединен со вторым выводом ключевого элемента, конечный вывод первой обмотки двухобмоточного дросселя соединен со вторым выводом ключевого элемента, конечный вывод первой обмотки двухобмоточного дросселя соединен с общей шиной преобразователя, конечный вывод второй обмотки двухобмоточного дросселя соединен с выходной шиной преобразователя.