Активный снаббер силового транзисторного ключа

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в транзисторных преобразователях электроэнергии для устранения бросков тока и напряжения на силовых транзисторных ключах при их коммутации, снижения коммутационных потерь в силовых ключах преобразователя и связанного с этим повышения КПД преобразователя.
Известно устройство (патент US 8,107,268 В2 "Passive lossless snubber cell for a power converter", дата приоритета 09.09.2009 г., МПК Н02Н 7/122), содержащий силовой транзисторный ключ, исток которого связан с отрицательным выводом источника напряжения, а сток - с анодом первого диода и выводом первого дросселя, второй вывод которого связан с выходным выводом источника тока, а также с анодами второго и пятого диодов и выводом второго конденсатора, другой вывод которого связан с катодом третьего диода и анодом четвертого диода, катод которого связан с положительным выводом источника напряжения, катодом пятого диода, входным выводом источника тока и выводом первого конденсатора, второй вывод которого связан с катодами первого и второго диодов и выводом второго дросселя, другой вывод которого связан с анодом третьего диода. Данное устройство взято за прототип.
Принцип работы прототипа заключается в ограничении скорости роста (фронта) напряжения на транзисторном ключе при его коммутации. Это достигается за счет перехвата тока истока транзисторного ключа при его размыкании первым и вторым конденсаторами. Таким образом достигается снижение коммутационных потерь транзисторного ключа.
Основным недостатком прототипа является зависимость эффективности его функционирования от времени прямого восстановления второго и четвертого диодов. Длительность процессов прямого восстановления приводит к задержке начала перехвата тока истока силового транзистора конденсаторами, что делает проблематичным использование этого устройства на высоких частотах, т.к. поздний перехват тока истока силового транзисторного ключа значительно уменьшает эффективность снижения коммутационных потерь.
Задачей полезной модели является устранение выбросов напряжения на силовом транзисторном ключе и бросков тока через силовой транзисторный ключ при его коммутации, а также снижение уровня коммутационных потерь силового ключа и связанное с этим повышение КПД преобразователя при одновременном нивелировании зависимости эффективности функционирования устройства от процессов восстановления полупроводниковых диодов.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи заключается в ограничении фронта напряжения на силовом ключе при его размыкании, а также в обеспечении коммутации при нуле напряжения на силовом ключе при его замыкании.
Поставленная задача и технический результат достигаются следующим образом.
Заявляемая полезная модель так же, как и прототип содержит силовой транзисторный ключ, два конденсатора, пять диодов и два дросселя.
В отличие от прототипа, заявляемая полезная модель дополнительно содержит резонансный конденсатор и дополнительный силовой транзисторный ключ. Коллектор дополнительного силового ключа, зашунтированного антипараллельным диодом, связан с положительным выводом питания устройства, а его эмиттер - с выводом первого дросселя и катодом диода, анод которого связан с отрицательным выводом питания устройства. Другой вывод первого дросселя связан с выводом первого конденсатора и катодом диода, анод которого связан с отрицательным выводом питания устройства. Другой вывод первого конденсатора связан с выводами второго и третьего конденсаторов, другие выводы которых связаны с положительным и отрицательным выводами питания устройства соответственно таким образом, что взаимно связанные выводы этих конденсаторов образуют среднюю точку конденсаторной стойки. Коллектор основного силового транзисторного ключа, зашунтированного антипараллельным диодом, связан с положительным выводом питания устройства, а его эмиттер - со средней точкой конденсаторной стойки, образованной вторым и третьим конденсаторами, с которой также связан катод диода, анод которого связан с отрицательным выводом питания устройства. Эмиттер основного силового ключа также связан с выводом дросселя, другой вывод которого связан с выходным выводом устройства. Другой выходной вывод устройства непосредственно связан с отрицательным выводом питания устройства.
Совокупность существенных признаков заявляемой полезной модели среди известных источников информации заявителем не обнаружена, что подтверждает ее новизну.
Отличительные признаки полезной модели в совокупности с известными признаками прототипа позволяют достигнуть заявленного технического результата.
Технический результат достигается следующим образом. Замыкание дополнительного силового ключа приводит к квазирезонансному процессу роста тока через первый дроссель. По достижении этим током значения, превышающего значение тока второго дросселя, происходит заряд стойки конденсаторов, а затем открытие диода, антипараллельного основному силовому ключу. Замыкание основного силового ключа в этот момент происходит при незначительном напряжении на нем, равном напряжению открытого антипараллельного ему диода, т.е. при нуле напряжения. Запертое состояние диода, включенного между эмиттером основного силового ключа и отрицательным выводом питания устройства обеспечивает отсутствие броска тока через основной силовой ключ при его замыкании, связанного с процессом обратного восстановления этого диода. При размыкании основного силового ключа, непосредственно подключенные к нему конденсаторы, перехватывают ток второго дросселя и таким образом обеспечивают ограничение скорости нарастания (фронта) напряжения на нем. Непосредственное подключение конденсаторов к основному силовому ключу в данном случае обеспечивает мгновенный перехват ими тока силового ключа в отличие от прототипа, где снабберные конденсаторы подключены к силовому ключу последовательно с диодами, что приводит к задержке процесса перехвата тока силового ключа при его размыкании, связанной с процессами прямого восстановления в этих диодах.
Техническая суть полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 показана функциональная схема заявляемой полезной модели.
Активный снаббер силового транзисторного ключа, функциональная схема которого изображена на фиг. 1, содержит силовые транзисторные ключи 1, 11, диоды 2, 3, 5, 9, 10, конденсаторы 6-8, дроссели 4, 12, а также выводы 13, 14 для подключения к источнику питания и выходные выводы 15, 16 для подключения к нагрузке.
Коллектор дополнительного силового ключа 1, зашунтированного антипараллельным диодом 2, связан с положительным выводом 13 питания устройства, а его эмиттер - с выводом дросселя 4 и катодом диода 3, анод которого связан с отрицательным выводом 14 питания устройства. Другой вывод дросселя 4 связан с выводом конденсатора 6 и катодом диода 5, анод которого связан с отрицательным выводом 14 питания устройства. Другой вывод конденсатора 6 связан с выводами конденсаторов 7 и 8, другие выводы которых связаны с положительным 13 и отрицательным 14 выводами питания устройства соответственно таким образом, что взаимно связанные выводы конденсаторов 7 и 8 образуют среднюю точку конденсаторной стойки. Коллектор основного силового ключа 11, зашунтированного антипараллельным диодом 9, связан с положительным выводом 13 питания устройства, а его эмиттер - со средней точкой конденсаторной стойки, образованной конденсаторами 7 и 8, с которой также связан катод диода 10, анод которого связан с отрицательным выводом 14 питания устройства. Один из выводов дросселя 12 связан с эмиттером силового ключа 11, а другой - с выходным выводом 15 устройства. Другой выходной вывод 16 устройства непосредственно связан с отрицательным выводом 14 питания устройства.
Работа устройства заключается в следующем. Принципиально возможны два основных стационарных режима работы устройства: режим непрерывного тока дросселя 12, при котором величина силы тока, протекающего через дроссель 12 в течение периода, не имеет нулевого значения, и режим прерывистого тока дросселя 12, при котором величина силы тока, протекающего через дроссель 12, в течение некоторого времени в рамках периода принимает нулевое значение. Поскольку процессы, протекающие при работе устройства в режиме непрерывного тока полностью включают в себя процессы при работе устройства в режиме прерывистого тока как частный случай, рассмотрим работу устройства в режиме непрерывного тока дросселя 12, причем примем упрощение, связанное с тем, что ток дросселя 12 в рамках периода изменяется незначительно, т.е. может считаться постоянным. Напряжениями открытых диодов и замкнутых силовых ключей пренебрежем, потенциал отрицательного вывода 14 питания устройства примем равным нулю.
Исходное состояние устройства: силовые ключи 1 и 11 разомкнуты, через дроссель 12 протекает ток в направлении вывода 15, диод 10 открыт, конденсатор 7 заряжен до напряжения питания устройства, соответствующего разнице потенциалов между выводами 13 и 14 питания устройства, конденсаторы 6, 8 разряжены до нулевого напряжения, диоды 2, 3, 5, 9 заперты, ток через дроссель 4 не протекает.
При замыкании силового ключа 1, потенциал катода диода 3 становится равным напряжению питания устройства, причем замыкание силового ключа 1 происходит при нуле тока через него. Включенные последовательно дроссель 4 и конденсатор 6 в этот момент образуют резонансную цепь, включенную между потенциалом, равным напряжению питания устройства с одной стороны и нулевым потенциалом - с другой. Связанный с этим фронт тока дросселя 4, протекающий в направлении конденсатора 6, при достижении им значения, соответствующего величине силы тока, протекающего через дроссель 12, приводит к мягкому запиранию диода 10. Дальнейший рост тока дросселя 4 приводит к росту потенциала средней точки конденсаторной стойки, образованной конденсаторами 7 и 8, связанному с разрядом конденсатора 7 и зарядом конденсатора 8. По достижении средней точкой конденсаторной стойки потенциала, равного напряжению питания, происходит открытие диода 9 и замыкание тока дросселя 4 по контуру ключ 1 - дроссель 4 - конденсатор 6 - диод 9 - ключ 1. В этот момент производится замыкание ключа 11. Таким образом, замыкание ключа 11 производится при нуле напряжения на нем, а запертое состояние диода 10 обеспечивает отсутствие броска сквозного тока обратного восстановления диода, защищая тем самым силовой ключ и диод, а также устраняя коммутационные потери, связанные с замыканием ключа 11. При достижении током дросселя 4 нулевого значения, заряженный протекавшим током дросселя 4, конденсатор 6, инициирует обратную полуволну резонансного процесса, при которой ток дросселя 4 протекает в обратном направлении по контуру конденсатор 6 - дроссель 4 - диод 2 - ключ 11 - конденсатор 6. Размыкание ключа 1, производимое в данный момент, осуществляется при нуле тока через него. По окончании обратной полуволны этого резонансного процесса, конденсатор 6 становится заряженным таким образом, что его вывод, связанный со средней точкой конденсаторной стойки, образованной конденсаторами 7 и 8 имеет положительный потенциал относительно другого своего вывода. При размыкании ключа 11, ток дросселя 12 перехватывается конденсаторной стойкой, образованной конденсаторами 7 и 8, что вызывает ограничение фронта напряжения на силовом ключе 11, обеспечивая тем самым отсутствие броска напряжения на силовом ключе, связанного со временем прямого восстановления диода 10, а также значительно снижая коммутационные потери, связанные с размыканием силового ключа 11. Дальнейшее снижение потенциала средней точки конденсаторной стойки приводит к отпиранию диода 5 и разряду конденсатора 6 в цепь нагрузки. По достижении средней точкой конденсаторной стойки нулевого потенциала, диод 10 отпирается и устройство возвращается в исходное состояние.
Заявляемая полезная модель является промышленно применимой, так как может быть многократно реализована с помощью серийно выпускаемых элементов с достижением указанного технического результата.