Вихідний каскад ключового двотактного підсилювача потужності

Вихідний каскад ключового двотактного підсилювача потужності, що містить верхній і нижній ключі, з'єднані з ВІДПОВІДНИМИ шинами живлення з внутрішніми вмонтованими або ЗОВНІШНІМИ шунтовими діодами, який відрізняється тим, що кожний із ключів підключений до навантаження через свою захисну котушку індуктивності і для розряду обох захисних котушок використано спільний розрядний ланцюг, що складається з послідовно включених між виходами ключів резистора і діода в зворотному напрямку Винахід відноситься до підсилювачів потужності і може бути використаний в силових частинах електроприводів і перетворювачів При розробці ключових підсилювачів потужності для роботи на індуктивне навантаження розробники зіштовхуються з проблемою виникнення кидків струму в перехідному процесі включення, обумовленого процесом запирання шунтового діода При цьому наростання струму в транзисторі відбувається при амплітуді напруги на ключі близької до напруги живлення В результаті траєкторія робочої крапки ключа без значного запасу по струму і напрузі виходить за межі області безпечної роботи (ОБР) Спосіб вирішення зазначеної проблеми описаний в [1] на сторінці 235 на малюнку 5 19, де приведена схема однотактного ключа з захисною індуктивністю і ланцюгом відновлення Захисна індуктивність включена послідовно з транзистором і навантаженням, що зашунтоване діодом Щоб енергія, що запасається в захисній індуктивності не приводила до виникнення неприпустимих сплесків напруги на ключі, паралельно їй підключений ланцюг відновлення, що складається з послідовно включених резистора і діода в зворотному включенні Застосування захисної індуктивності дозволяє запобігти виникненню сплеску потужності при відкриванні ключа, тому що струм запирання шунтового діода наростає при низькій напрузі на відкритому ключі лад, однотактного перетворювача напруги чи однотактного підсилювача потужності двигуна постійного струму Відома схема вихідного каскаду двотактного підсилювача потужності, що прийнята як прототип, описана в [1] на сторінці 309 малюнок 6 57 і складається з верхнього і нижнього ключів із шунтовими діодами і підключених до ВІДПОВІДНИХ шин живлення Виходи верхніх і нижніх ключів з'єднані між собою і підключені до навантаження Уже вказувалося вище, при роботі на індуктивне навантаження в перехідному процесі включення виникає кидок струму, обумовлений процесом запирання шунтового діода Наростання струму в транзисторі відбувається при напрузі в ключі, близькій до напруги живлення, у результаті чого потрібно значний запас по струму і напрузі, щоб робоча точка не вийшла за межі ОБР Таким чином, зазначена схема має наступні недоліки високі динамічні втрати потужності, високу потужність розсіювання, великі масу і габарити, високу ціну Описана схема однотактного ключа з захисними ланцюгами придатна для побудови, наприк В основу винаходу поставлена задача створення вихідних каскадів двотактних ключових підсилювачів потужності, вільних від зазначених вище недоліків шляхом застосування захисних ланцюгів від виникнення наскрізних струмів, що протікають через відкритий шунтовий діод при комутації струмів навантаження, що дозволить використовувати транзистори при струмах навантаження і при напругах живлення, близьких до максимально припустимих для обраного типу транзисторів, а це у сукупності зі зменшенням потуж (О ю о о (О 60056 ності розсіювання на ключах і потужності втрат дозволить зменшити об'єм і масу силового перетворювача і його ціну Запропонований вихідний каскад (фиг 1) складається з двох силових ключів верхнього Кв і нижнього Кн, підключених до шин живлення +Ес і Ос ВІДПОВІДНО До складу силових ключів входять шунтові діоди Між ВИХОДОМ KB І навантаженням включена захисна індуктивність І_в, між виходом Кн і навантаженням включена захисна індуктивність І_н Між ВИХОДОМ KB І ВИХОДОМ КН ПОСЛІДОВНО вклю чені резистор і діод, включений у зворотному напрямку Ланцюги керування ключами на фіг 1 не показані На фіг 2 показані епюри напруг на виходах верхнього UKB І НИЖНЬОГО UKH КЛЮЧІВ І струму нижнього ключа І«н при переключенні струму навантаження, що протікає через відкритий шунтовий діод відкритого верхнього ключа Розглянемо роботу схеми при наступних початкових умовах внаслідок реакції навантаження (наприклад, індуктивного забросу напруги) струм навантаження протікає через індуктивність І_в і відкритий шунтовий діод верхнього ключа Кв на шину живлення +Ес При цьому напруга на виході нижнього ключа Кн близька до +Ес (на фіг 2 крива UKH) При подачі керуючого сигналу на відкривання нижнього ключа Кн напруга на його виході стає близькою до напруги на шині Ос, і в відкритому ключі Кн відбувається наростання струму (крива Ікн на фіг 2) зі швидкістю, обумовленою величиною індуктивності І_н і напругою джерела живлення Пропорційно наростанню струму в індуктивності І_н струм в індуктивності І_в падає і у момент часу, коли весь струм навантаження протікає через І_н, струм у І_в змінює знак і наростає за рахунок протікання струму запирання шунтового діода У момент запирання діода відбувається кидок напруги на виході верхнього ключа Кв (крива UKB на фіг 2) в негативну сторону під впливом реакції індуктивностей І_н і LB, І ЇХНІЙ струм замикається через відритий діод Д на резистор R і спадає з постійною часу, обумовленою індуктивностями І_н, LB І опором R Таким чином імпульс запирання струму шунтового діода обмежений за рахунок інерційних властивостей І_н, LB І протікає при низькій напрузі на відкритому ключі Кн, у результаті чого імпульс миттєвої потужності неприпустимої величини, виділюваної на ключі Кн, відсутній Крім того захисні індуктивності запобігають виникненню небажаних ПІКІВ потужності розсіювання силових ключів через струми заряду - розряду ємності навантаження Необхідно відзначити, що при вимиканні нижнього ключа при протіканні через нього струму навантаження на його виході виникає кидок напруги вище напруги джерела живлення внаслідок реакції навантаження і захисної індуктивності LH Струм захисної індуктивності в цьому випадку замикається на резистор R через відкритий діод Д Амплітуда кидка напруги визначається струмом навантаження і опором R У силу того, що схема вихідного каскаду симетрична, робота верхнього ключа Кв при комутації струму навантаження, що протікає через відкритий шунтовий діод нижнього ключа Кн аналогічна описаній вище з різницею в полярності напруг Запропонована схема може бути використана для побудови напівмостових, мостових, багатофазних мостових схем реверсивного керування колекторними, безколекторними двигунами і схем перетворювачів Вона може бути застосована при побудові вихідних каскадів підсилювачів потужності як на біполярних, так і на польових транзисторах і на IGBT У випадку застосування МДПтранзисторів запропонована схема дозволяє використовувати в якості шунтових ДІОДІВ їхні внутрішні «паразитні» діоди Запропонована схема реалізована практично на біполярних транзисторах 2Т874Б, на польових транзисторах IRFZ34NS, IRF5305S у парі, на IRF131ON, IRF5210 у парі, на IRFR024N, IRFR9024N у парі У всіх випадках за рахунок застосування запропонованої схеми вдалось відмовитися від радіатора При цьому транзистори працюють на максимальних струмах, рівних максимальним припустимим і при напругах живлення, близьких до максимальних припустимих Наприклад, підсилювач привода на 2Т874Б працює при максимальних струмах навантаження ЗОА і при напрузі живлення до 74В (максимальне припустиме 100В) ЛІТЕРАТУРА 1 Воронін П А Силові напівпровідникові ключі М Додека 2001 р 60056 до навантаження Фіг І Комп'ютерна верстка Н Лисенко Підписано до друку 06 10 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна