ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ЯЧЕЙКА

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при построении вторичных источников электропитания, бесперебойных систем электроснабжения и регулируемых электроприводов.
Известна преобразовательная ячейка, состоящая из последовательно соединенных силовых ключей, каждый из которых имеет собственные узлы управления (драйверы) и один источник вспомогательного питания. Драйвер "верхнего" ключа питается от "плавающего" конденсатора, заряжаемого через специально введенный в схему диод в процессе коммутации силовых ключей ячейки [1]. Данная схема может успешно работать во многих преобразовательных структурах, но ее возможности в достаточной степени ограничены. Это связано с принципом организации питания драйвера "верхнего" ключа ячейки, который способен формировать только однополярный сигнал управления ключом - положительный (высокий) уровень при отпирании ключа и нулевой (низкий) уровень при его запирании. Отрицательное смещение управляющего перехода "верхнего" ключа при его запирании в данной конфигурации схемы не реализуется. В то же время, во многих применениях и режимах работы преобразовательной ячейки, например, в составе высокочастотных преобразователей с повышенным напряжением питания, отрицательное смещение обеспечивает надежное и эффективное запирание ключа, сокращает время переключения и снижает коммутационные потери.
Возможна организация отрицательного смещения управляющего перехода "верхнего" ключа преобразовательной ячейки путем обеспечения двуполярного питания его драйвера введением в схему специального дополнительного источника [2]. В такой схеме осуществляется эффективное управление силовым ключом, но, поскольку потенциалы управляющего перехода "верхнего" силового ключа при работе преобразователя "прыгают" относительно шин его питания, "прыгает" и привязанный к управляющему переходу выходной каскад источника отрицательного смещения. Неизбежно возникающий при этом периодический перезаряд проходной емкости источника является причиной возникновения дополнительных внутренних помех, способных вызвать сбои в работе преобразовательной ячейки и, соответственно, всего изделия в целом.
Устройство [1] по своей технической сущности является наиболее близким к описываемой полезной модели и принято в качестве прототипа.
Техническим результатом, достигаемым при использовании полезной модели, является уменьшение потерь и повышение надежности и помехоустойчивости устройства при сохранении его структурной и схемотехнической простоты.
Технический результат достигается за счет того, что преобразовательная ячейка содержит последовательно соединенные и имеющие управляющий, положительный силовой и отрицательный силовой электроды, первый, связанный с положительной шиной питания, и второй, связанный с отрицательной шиной питания, силовые ключи, точка соединения которых подключена к выходному выводу, имеющие положительный и отрицательный выводы питания узлы управления, выходы которых связаны с управляющими электродам соответствующих силовых ключей, а входы - с соответствующими управляющими выводами, подключенную к выводам питания первого узла управления цепь из двух последовательно соединенных конденсаторов, общая точка которых подключена к отрицательному силовому электроду первого силового ключа, два диода и два дополнительных источника питания, положительный вывод первого из которых подключен к положительным выводам питания узлов управления, причем к первому узлу управления - через первый диод, а отрицательный вывод - к отрицательному выводу питания второго узла управления и, одновременно, - к отрицательному силовому электроду второго силового ключа, положительный же вывод второго дополнительного источника питания подключен к положительной шине питания, а отрицательный - через второй диод к отрицательному выводу питания первого узла управления.
На чертеже фиг.1 приведена схема полезной модели.
Устройство содержит подключенные к шинам питания 1 и 2 последовательно соединенные силовые ключи 3 и 4, связанные с выходным выводом 5. Выходы узлов управления 6 и 7 связаны с управляющими электродами силовых ключей 3 и 4, а их входы - с соответствующими управляющими выводами 8 и 9. Цепь из последовательно соединенных конденсаторов 10 и 11 подключена к выводам питания узла управления 6, положительный вывод питания которого через диод 12 связан также с первым дополнительным источником питания 13. Положительный вывод второго дополнительного источника питания 14 подключен к положительной шине питания 1, а отрицательный - через диод 15 - к отрицательному выводу питания первого узла управления 6.
Устройство работает следующим образом.
Будем считать, что к шинам питания 1 и 2 подключен соответствующий источник питания. Пусть на управляющие выводы 8 и 9 поданы сигналы, формирующие на выходах узлов управления 6 и 7 сигналы, в соответствии с которыми силовой ключ 3 ("верхний") должен быть закрыт, а силовой ключ 4 ("нижний") - открыт. По цепи, образованной выходным выводом 5, открытым ключом 4 и отрицательной шиной питания 2 протекает ток нагрузки. Поскольку силовой ключ 4 открыт, по контуру, образованному первым дополнительным источником питания 13, диодом 12 и открытым силовым переходом ключа 4 осуществляется заряд конденсатора 10, питающего узел управления 6.
При смене состояния сигналов на управляющих выводах 8 и 9 на противоположное ключ 3 открывается, а ключ 4 закрывается. Ток нагрузки протекает по цепи положительная шина питания 1 - открытый силовой ключ 3 - выходной вывод 5. Поскольку силовой ключ 3 открыт, по контуру, образованному вторым дополнительным источником питания 14, диодом 15 и открытым силовым переходом ключа 3 осуществляется заряд конденсатора 11.
При последующей смене сигналов на управляющих выводах 8 и 9 узел управления 7 открывает силовой ключ 4, а узел управления 6 - закрывает силовой ключ 3, создавая на его управляющем электроде отрицательное смещение, обусловленное разностью потенциалов на выводах заряжавшегося на предыдущем такте работы схемы конденсатора 11. Отрицательное смещение управляющего перехода "верхнего" ключа преобразовательной ячейки уменьшает время его запирания, снижая тем самым коммутационные потери, и эффективно и надежно удерживает ключ в запертом состоянии при любых значениях напряжения на шинах питания устройства.
В процессе работы схемы потенциалы выводов выходного каскада второго дополнительного источника 14 относительно положительной 1 и отрицательной 2 шин питания остаются неизменными. В устройстве не генерируются внутренние помехи, связанные с перезарядом внутренней проходной емкости источника питания, и не эмитируются дополнительные кондуктивные радиопомехи в питающую сеть и нагрузку.
В технически оправданных случаях вместо дополнительного источника питания 13 может быть использовано напряжение питания на шинах питания 1 и 2.
Организация отрицательного смещения "нижнего" ключа преобразовательной ячейки не вызывает каких-либо заметных проблем и не составляет предмета настоящей полезной модели.
Использование данной схемы позволяет применять простой принцип "плавающего" конденсатора для управления силовыми ключами в большом числе преобразовательных структур, эффективно организуя как положительное, так и отрицательное смещения управляющего перехода "верхнего" силового ключа преобразовательной ячейки.
Источники информации, принятые во внимание при составлении описания:
1. В.И.Мелешин "Транзисторная преобразовательная техника, Москва, Техносфера, 2005. Стр.482-483.
2. П.А.Воронин "Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение", Москва, Издательский дом "Додэка XXI", 2005. Стр.214-222.