ИМПУЛЬСНЫЙ МОДУЛЯТОР С ДЕМПФЕРНОЙ ЦЕПЬЮ

Полезная модель относиться к силовой электронике и может быть использована в полупроводниковых преобразователях постоянного напряжения в переменное, а именно - в инверторах тока.
Известен импульсный модулятор с демпферной цепью, содержащий электронный ключ и балластный дроссель, включенные последовательно между питающими и нагрузочными зажимами, фильтровый конденсатор, подключенный к питающим зажимам, генератор прямоугольных импульсов, выход которого подключен к управляющим выводам электронного ключа, а также демпферную цепочку, состоящую из последовательно соединенных между собой конденсатора, зашунтированного резистором, и диода. Указанный модулятор входит в состав однотактного инвертора тока, используемого в электронном устройстве для питания и зажигания газоразрядных ламп (Патент РФ на изобретение №2101886, МПК Н 05 В 41/29, 1998 г.).
Недостатком известного импульсного модулятора является низкий КПД из-за больших тепловых потерь в шунтирующем резисторе.
Известен импульсный модулятор с демпферной цепью, содержащий электронный ключ и балластный дроссель, включенные последовательно между питающими и нагрузочными зажимами, фильтровый конденсатор, подключенный к нагрузочным зажимам, генератор прямоугольных импульсов, выход которого подключен к управляющим выводам электронного ключа, первый силовой вывод которого соединен в проводящем направлении с первым питающим зажимом, а также демпферную цепочку, состоящую из дросселя и последовательно между собой соединенных конденсатора с диодом, подключенным свободным
выводом в непроводящем направлении ко второму питающему зажиму, а вторым выводом - через дополнительный диод, имеющий то же направление включения - ко второму силовому выводу электронного ключа и к нагрузочному зажиму (Транзисторные преобразователи электрической энергии / под ред. А.В.Лукина и Г.М.Малышкова - М.: Издательство МАИ, 2001 г., стр.48, рис.34 и стр.47, рис.33).
Недостатком известного импульсного модулятора является невозможность его использования в составе инвертора тока из-за диодного шунтирования нагрузки при обратной полярности напряжения на ней.
По технической сущности наиболее близким к предлагаемому является последний из перечисленных известных импульсных модуляторов.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание импульсного модулятора с демпферной цепью, который можно использовать в составе инвертора тока.
Техническим результатом предложения является исключение возможности шунтирования нагрузки при обратной полярности напряжения на ней при использовании импульсного модулятора с демпферной цепью в составе инвертора тока, а также повышение КПД и снижение тепловых рассеянии.
Указанный результат обеспечивается благодаря тому, что в импульсном модуляторе, включающем электронный ключ и балластный дроссель, предназначенные для подключения между источником питания постоянного тока и нагрузкой, генератор прямоугольных импульсов, выходом соединенный с выводом управления электронного ключа, фильтровый конденсатор и демпферную цепь, содержащую дроссель, конденсатор и диод, одни из выводов которых соединены между собой, другой вывод дросселя демпферной цепи связан через фильтровый
конденсатор с другим выводом диода, а через электронный ключ с другим выводом конденсатора той же цепи.
Технический результат обеспечивается и тем, что демпферная цепь импульсного модулятора снабжена развязывающим диодом, включенным последовательно с ее дросселем, а диоды демпферной цепи включены в непроводящем по отношению к питающему напряжению направлении.
Технический результат обеспечивается также и тем, что импульсный модулятор снабжен разделительным конденсатором, а балластный дроссель выполнен с выводом от средней точки, соединенным с одним из выводов разделительного конденсатора, другой вывод которого предназначен для подключения нагрузки.
Импульсный модулятор может быть снабжен разделительным диодом, подключенным в проводящем направлении между электронным ключом и нагрузкой.
Балластный дроссель и дроссель демпферной цепи импульсный модулятора могут быть выполнены с общим магнитопроводом.
Указанный технический результат обеспечивается благодаря рекуперации энергии коммутационных потерь обратно в фильтровый конденсатор, подключенный к питающим зажимам, причем без диодного шунтирования нагрузки при обратной полярности напряжения на ней.
Лабораторные и натурные испытания подтверждают возможность широкого промышленного использования предложенного импульсного модулятора.
На фиг.1 приведена принципиальная схема предлагаемого импульсного модулятора в составе однотактного инвертора тока с трансформаторной нагрузкой, имеющей среднюю точку.
На фиг.2 приведена принципиальная схема предлагаемого импульсного модулятора в составе однотактного инвертора тока с балластным дросселем, имеющим вывод от средней точки.
На фиг.3 приведена принципиальная схема предлагаемого импульсного модулятора в составе полумостового двухтактного инвертора тока с двумя фильтровыми конденсаторами.
На фиг.4 приведена принципиальная схема предлагаемого импульсного модулятора в составе мостового двухтактного инвертора тока с двумя фильтровыми конденсаторами.
На фиг.5 приведена принципиальная схема предлагаемого импульсного модулятора в составе мостового двухтактного инвертора тока с двумя фильтровыми конденсаторами и нагрузкой, имеющей среднюю точку.
Импульсный модулятор с демпферной цепью содержит электронный ключ 1 и балластный дроссель 2, подключенные между источником питания и нагрузкой (посредством выводов 3 и 4 для подключения источника питания и выводов 5 и 6 для подключения нагрузки), фильтровый конденсатор 7, генератор 8 прямоугольных импульсов, выход которого подключен к выводу управления электронного ключа 1, первый силовой вывод которого соединен в проводящем направлении с первым питающим зажимом 3, а также демпферную цепь 9, состоящую из дросселя 10, конденсатора 11 и диода 12, одни из выводов которых соединены между собой. Другой вывод дросселя демпферной цепи связан через фильтровый конденсатор с другим выводом диода 12, а через электронный ключ с другим выводом конденсатора 11.
Демпферная цепь может быть снабжена развязывающим диодом 13 (фиг.1 и фиг.2), включенным последовательно с дросселем 10 для предотвращения колебаний в образуемом L-C контуре. Диоды 12 и 13 включены в непроводящем по отношению к питающему напряжению направлении.
Балластный дроссель 2 и дроссель 10 демпферной цепи могут быть выполнены с общим магнитопроводом (на фиг.1 и фиг.2 точками
обозначены их одноименные выводы), для передачи части энергии коммутационных потерь непосредственно в нагрузку, минуя рекуперацию в фильтровый конденсатор 7.
Разделительный диод 14 включен в проводящем направлении между электронным ключом 1 и нагрузкой (фиг.1 и фиг.2). В случае выполнения балластного дросселя 2 с выводом от средней точки импульсный модулятор может быть снабжен разделительным конденсатором 15, включенным между средней точкой балластного дросселя 2 и выводом 5 (фиг.2 и фиг.4) для исключения постоянной составляющей тока в нагрузке, например, в первичной обмотке трансформатора.
Импульсный модулятор может содержать переключающий диод 16 для изменения направления тока (фиг.1 и фиг.2).
Конденсатор 11 свободным от диода 12 выводом подключен ко второму силовому выводу электронного ключа 1, а выводом, соединенным с диодом 12, через дроссель 10 демпферной цепочки подключен к первому силовому выводу электронного ключа 1, причем фильтровый конденсатор 7 подключен между выводами 3 и 4.
Импульсный модулятор работает следующим образом. К выводам 3 и 4 подводится постоянное напряжение. К выводам 8 и 9 подключается нагрузка, способная воспринимать знакопеременные приблизительно прямоугольные импульсы тока (активная, емкостная, смешанная, выпрямительно-емкостно-активная или газоразрядная), причем -непосредственно или через трансформатор. Генератор 8 прямоугольных импульсов периодически, например, с равными интервалами длительности, попеременно включает и выключает электронный ключ 1.
При отпирании электронного ключа 1 происходит нарастание тока в балластном дросселе 2 через нагрузку, например, на фиг.1 по цепи: вывод 4, балластный дроссель 2, выводы 6 и 5, диод 14, электронный ключ 1 и
вывод 3, а на фиг.3 по цепи: вывод 4, выводы 6 и 5, балластный дроссель 2, диод 14, электронный ключ 1 и вывод 3. При этом коммутирующий диод 16 на фиг.1 и 2 заперт (на фиг.1 - напряжением питания, а на фиг.2 - с помощью ЭДС индукции во второй обесточенной полуобмотке балластного дросселя 2).
После выключения электронного ключа 1 энергия, накопленная за предыдущий полупериод в балластном дросселе 2, передается в нагрузку с обратным направлением тока нагрузки, например, на фиг.1 по цепи:
- балластный дроссель 2, вывод 6, диод 16, балластный дроссель 2, а на фиг.2 по цепи: балластный дроссель 2, выводы 5 и 6, диод 16, балластный дроссель 2. При этом из-за индуктивностей рассеяния, например, на фиг.1 - первичной обмотки нагрузочного трансформатора, а на фиг.2 -полуобмотки балластного дросселя 2, часть накопленной энергии передается в конденсатор 11 демпферной цепи 9, например, на фиг.1 по цепи: вывод 5, диод 14, конденсатор 11, диод 12, балластный дроссель 2, вывод 6, а на фиг.2 по цепи: балластный дроссель 2, диод 14, конденсатор 11, диод 12, выводы 6 и 5, балластный дроссель 2, дозаряжая его выше напряжения питания U, до которого он оставался заряженным к концу предыдущего полупериода. При каждом отпирании электронного ключа 1 конденсатор 11 передает избыток своей энергии, накопленной на предыдущем полупериоде, дросселю 10 (или обоим дросселям 10 и 2 при выполнении их на общем магнитопроводе) по цепи: конденсатор 11, электронный ключ 1, дроссель 10. При следующем запирании электронного ключа 1 энергия, накопленная в дросселе 10, передается обратно в фильтровый конденсатор 7 по цепи: дроссель 10, диод 12, конденсатор 7, дроссель 10 (фиг.1 и фиг.2). Далее указанные процессы периодически повторяются.
В двухтактных инверторах тока (фиг.3, 4 и 5) плечи электронных ключей работают в противофазе, благодаря чему ток в балластных
дросселях 2 имеет существенно меньшие пульсации. Схемы этих инверторов содержат по два импульсных модулятора с демпферной цепью.
Таким образом, благодаря транзиту энергии коммутационных потерь в фильтровый конденсатор 7, в балластный дроссель 2, а через них - в нагрузку, обеспечивается исключение шунтирования нагрузки при обратной полярности напряжения на ней при использовании импульсного модулятора с демпферной цепью в составе инвертора тока, а также повышается КПД и снижаются тепловые рассеяния из-за отсутствия резистивных или стабилитронных рассеивающих звеньев в демпферной цепи.