переключающее устройство для пониженной нагрузки переключателя

Формула изобретения

1. Переключающее устройство для разгрузки полупроводниковых переключателей (V1, V2) в схемах согласующего трансформатора с первичной стороной и вторичной стороной, которые на первичной стороне имеют первый полупроводниковый переключатель (V1) и последовательно включенный второй полупроводниковый переключатель (V2), причем вывод стока первого полупроводникового переключателя (V1) соединен с первым выводом напряжения питания (V_in), и вывод истока второго полупроводникового переключателя (V2) соединен со вторым выводом напряжения питания (V_in), и между выводом истока первого полупроводникового переключателя (V1) и выводом стока второго полупроводникового переключателя (V2) включена первичная обмотка (W1) трансформатора (Т1), вторичная обмотка (W2) которого соединена с нагрузкой (L1) вторичной стороны, и предусмотрен первый диод (D2), который со стороны анода соединен с потенциалом напряжения питания (V_in) на выводе истока второго полупроводникового переключателя (V2), а со стороны катода - с обращенной к первому полупроводниковому переключателю (V1) первой соединительной клеммой (1) на первичной обмотке (W1) трансформатора (Т1), а также предусмотрен второй диод (D3), который со стороны катода соединен с потенциалом напряжения питания (V_in ) на выводе стока первого полупроводникового переключателя (V1), а со стороны анода - с обращенной ко второму полупроводниковому переключателю (V2) второй соединительной клеммой (2) на первичной обмотке (W1) трансформатора (Т1), отличающееся тем, что предусмотрена первая вспомогательная обмотка (W3) трансформатора (Т1) с направлением обмотки, противоположным первичной обмотке (W1), включенная последовательно между первым диодом (D2) и первой соединительной клеммой (1) на первичной обмотке (W1) трансформатора (Т1), и вторая вспомогательная обмотка (W4) трансформатора (Т1) с направлением обмотки, противоположным первичной обмотке (W1), включенная последовательно между вторым диодом (D3) и второй соединительной клеммой (2) на первичной обмотке (W1) трансформатора (Т1).

2. Часть переключательной схемы с переключающим устройством по п.1.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к переключающему устройству для разгрузки полупроводникового переключателя в схемах согласующего трансформатора с первичной стороной и вторичной стороной, которые на первичной стороне имеют первый полупроводниковый переключатель и последовательно включенный второй полупроводниковый переключатель, причем вывод стока первого полупроводникового переключателя соединен с первым выводом напряжения питания и вывод истока второго полупроводникового переключателя соединен со вторым выводом напряжения питания, и между выводом истока первого полупроводникового переключателя и выводом стока второго полупроводникового переключателя включена первичная обмотка трансформатора, вторичная обмотка которого соединена с нагрузкой вторичной стороны, и предусмотрен первый диод, который со стороны анода соединен с потенциалом напряжения питания на выводе истока второго полупроводникового переключателя, а со стороны катода - с обращенной к первому полупроводниковому переключателю первой соединительной клеммой на первичной обмотке трансформатора, а также предусмотрен второй диод, который со стороны катода соединен с потенциалом напряжения питания на выводе стока первого полупроводникового переключателя, а со стороны анода - с обращенной ко второму полупроводниковому переключателю второй соединительной клеммой на первичной обмотке трансформатора, согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.

Переключающие схемы этого типа известны из асимметричных полумостовых схем, в которых имеющаяся в момент времени фазы запирания полупроводникового переключателя в паразитных индуктивностях, таких как индуктивности проводников или индуктивности рассеяния, энергия через диоды возвращается в соответствующий промежуточный контур напряжения. При этом, однако, допустимая прочность по напряжению полупроводникового переключателя в любом случае должна быть больше, чем уровень напряжения промежуточного контура.

Эта проблема традиционным способом решается использованием полупроводниковых переключателей с соответственно высокими допустимыми напряжениями запирания. Но этим обусловлены соответственно более высокие затраты. С другой стороны, полупроводниковые переключатели с соответственно высокими запирающими напряжениями часто вообще не имеются в распоряжении или имеют другие недостатки, например плохие свойства пропускания или большие габариты компонентов. Поэтому в соответствии с уровнем техники часто также несколько переключателей с высокими допустимыми запирающими напряжениями включаются параллельно, чтобы достичь необходимых свойств проводимости.

Поэтому задачей изобретения является устранить эти недостатки и реализовать переключающее устройство, которое простым и экономичным способом обеспечивает пониженную нагрузку полупроводниковых переключателей.

Эта цель достигается признаками пункта 1 формулы изобретения. Пункт 1 относится к переключающему устройству для разгрузки полупроводниковых переключателей в схемах согласующего трансформатора с первичной стороной и вторичной стороной, которые на первичной стороне имеют первый полупроводниковый переключатель и последовательно включенный второй полупроводниковый переключатель, причем вывод стока первого полупроводникового переключателя соединен с первым выводом напряжения питания и вывод истока второго полупроводникового переключателя соединен со вторым выводом напряжения питания, и между выводом истока первого полупроводникового переключателя и выводом стока второго полупроводникового переключателя включена первичная обмотка трансформатора, вторичная обмотка которого соединена с нагрузкой вторичной стороны, и предусмотрен первый диод, который со стороны анода соединен с потенциалом напряжения питания на выводе истока второго полупроводникового переключателя, а со стороны катода - с обращенной к первому полупроводниковому переключателю первой соединительной клеммой на первичной обмотке трансформатора, а также предусмотрен второй диод, который со стороны катода соединен с потенциалом напряжения питания на выводе стока первого полупроводникового переключателя, а со стороны анода - с обращенной к второму полупроводниковому переключателю второй соединительной клеммой на первичной обмотке трансформатора. В соответствии с изобретением предложено, что предусмотрена первая вспомогательная обмотка трансформатора, которая включена последовательно между первым диодом и первой соединительной клеммой на первичной обмотке трансформатора, и предусмотрена вторая вспомогательная обмотка трансформатора, которая включена последовательно между вторым диодом и второй соединительной клеммой на первичной обмотке трансформатора.

Пункт 2 формулы изобретения относится к части переключательной схемы с переключающим устройством по пункту 1 формулы изобретения.

Изобретение ниже поясняется более подробно на примере выполнения с помощью приложенных чертежей, на которых показано следующее:

Фиг.1 - известное переключающее устройство согласно уровню техники и

Фиг.2 - представление соответствующего изобретению переключающего устройства для части переключательной схемы.

С помощью фиг.1 сначала будет рассмотрено известное переключающее устройство, такое, как известно, например, из схем согласующих трансформаторов с асимметричными полумостовыми схемами. Переключающее устройство состоит из параллельного соединения нескольких промежуточных контуров, которые соответственно образованы из двух полупроводниковых переключателей V1 и V2, а также из двух диодов D2 и D3. Первый полупроводниковый переключатель V1 включен последовательно с вторым полупроводниковым переключателем V2, причем вывод стока первого полупроводникового переключателя V1 соединен с напряжением питания V_in (на фиг.1 не показано), а вывод истока второго полупроводникового переключателя V2 соединен с массой. Между первым полупроводниковым переключателем V1 и вторым полупроводниковым переключателем V2 включена первичная обмотка W1 трансформатора Т1 (на фиг.1 не показано). Кроме того, первый диод D2 со стороны анода соединен с массой, а со стороны катода - с обращенной к первому полупроводниковому переключателю V1 первой соединительной клеммой 1 на первичной обмотке W1 трансформатора Т1. Второй диод D3 со стороны катода соединен с потенциалом напряжения питания на выводе стока первого полупроводникового переключателя V1, а со стороны анода - с обращенной к второму полупроводниковому переключателю V2 второй соединительной клеммой 2 на первичной обмотке W1 трансформатора Т1.

Полупроводниковые переключатели V1 и V2 соответственно включаются одновременно. В фазе проводимости полупроводниковых переключателей V1 и V2 ток протекает через полупроводниковый переключатель V1, первичную обмотку W1 и полупроводниковый переключатель V2 на массу. Оба полупроводниковых переключателя V1 и V2 одновременно вновь выключаются. В фазе запирания полупроводниковых переключателей V1 и V2 индуктивность продолжает возбуждать ток в обтекаемом током контуре и приводит к нарастанию напряжения на полупроводниковых переключателях V1 и V2, пока не будет достигнуто напряжение на промежуточном контуре плюс порог диода. Таким способом максимальная нагрузка напряжения на полупроводниковых переключателях V1 и V2 ограничивается. Однако в фазе запирания полупроводниковых переключателей V1 и V2 допустимая прочность по напряжению полупроводниковых переключателей V1 и V2 должна быть в любом случае больше, чем высота напряжения промежуточного контура.

На фиг.2 для сравнения с этим представлена возможная форма выполнения изобретения, которая гарантирует пониженную нагрузку полупроводниковых переключателей V1 и V2. Она показывает асимметричный полумост с двумя последовательно включенными полупроводниковыми переключателями V1 и V2, причем вывод стока первого полупроводникового переключателя V1 и V2 соединен с первым выводом напряжения питания V_in, а вывод истока второго полупроводникового переключателя V2 - с вторым выводом напряжения питания V_in или с массой. Между выводом истока первого полупроводникового переключателя V1 и выводом стока второго полупроводникового переключателя V2 вновь включена первичная обмотка W1 трансформатора Т1, вторичная обмотка W2 которого соединена с нагрузкой L1 вторичной стороны. На вторичной стороне может также быть предусмотрен каскад выпрямителя и сглаживания, например, с помощью диода D1 и конденсатора С1.

Кроме того, предусмотрен первый диод D2, который со стороны анода соединен с потенциалом напряжения питания на выводе истока второго полупроводникового переключателя V2, а со стороны катода - с обращенной к первому полупроводниковому переключателю V1 первой соединительной клеммой 1 на первичной обмотке W1 трансформатора Т1. Второй диод D3 со стороны катода соединен с потенциалом напряжения питания на выводе стока первого полупроводникового переключателя V1, а со стороны анода - с обращенной ко второму полупроводниковому переключателю V2 второй соединительной клеммой 2 на первичной обмотке W1 трансформатора Т1.

В соответствии с изобретением теперь предусмотрена первая вспомогательная обмотка W3 трансформатора Т1, которая соединена последовательно между первым диодом D2 и первой соединительной клеммой 1 на первичной обмотке W1 трансформатора Т1. Кроме того, предусмотрена вторая вспомогательная обмотка W4 трансформатора Т1, которая соединена последовательно между вторым диодом D3 и второй соединительной клеммой 2 на первичной обмотке W1 трансформатора Т1.

Полупроводниковые переключатели V1 и V2 переключаются вновь (приближенно) одновременно. Во время фазы включения полупроводниковых переключателей V1 и V2 процесс протекания тока осуществляется через токовый контур, состоящий из полупроводникового переключателя V1, первичной обмотки W1 и полупроводникового переключателя V2, как в случае известного уровня техники. Ток нарастает соответственно имеющемуся возбуждающему напряжению и импедансу трансформатора Т1. В момент выключения полупроводниковых переключателей V1 и V2 индуктивность в упомянутом токовом контуре, который не связан с вторичной обмоткой W2 трансформатора Т1, продолжает возбуждать ток и приводит к быстрому нарастанию напряжения на первичной обмотке W1. Вспомогательные обмотки W3 и W4 трансформатора Т1 хорошо связаны с первичной обмоткой W1. Вследствие этого напряжение на вспомогательных обмотках W3 и W4 нарастает согласно соотношению соответствующих коэффициентов трансформации.

Как только сумма напряжений на вспомогательной обмотке W1, вспомогательной обмотке W2 и вспомогательной обмотке W3, уменьшенная на оба порога диодов D2 и D3, достигает высоты напряжения промежуточного контура, диоды D2 и D3 становятся проводящими. Тем самым дальнейшее нарастание напряжения ограничивается. В этот момент высота нагрузки полупроводникового переключателя V1 соответствует сумме напряжения промежуточного контура и порога диода D2 за вычетом мгновенного напряжения на вспомогательной обмотке W3.

Посредством последовательного включения соответственно вспомогательной обмотки W3 и W4 с диодами D2 и D3 максимальная нагрузка по напряжению на полупроводниковых переключателях V1 и V2 снижается. Тем самым могут использоваться компоненты с более низкой прочностью по напряжению. Компоненты такого рода являются, естественно, более дешевыми или имеют другие релевантные преимущества, такие как более низкое сопротивление проводимости или меньшие конструктивные формы.