RU175894U1

RU175894U1 - Device for reducing switching losses of a bridge / half-bridge voltage inverter

Info

Publication number: RU175894U1
Application number: RU2017128168U
Authority: RU
Inventors: Павел Александрович Стрельников
Original assignee: Павел Александрович Стрельников
Priority date: 2017-08-07
Filing date: 2017-08-07
Publication date: 2017-12-22

Abstract

Устройство для снижения коммутационных потерь мостового/полумостового инвертора напряжения относится к области электротехники и может быть использовано в транзисторных мостовых и полумостовых преобразователях электроэнергии для устранения бросков тока через силовые транзисторные ключи при их коммутации, снижения коммутационных потерь в силовых ключах инвертора и связанного с этим повышения КПД преобразователя. Коллектор первого основного транзисторного ключа, зашунтированного антипараллельным диодом, подключен к положительному выводу питания, а его эмиттер связан с выводом средней точки полумоста и коллектором второго основного транзисторного ключа, также зашунтированного антипараллельным диодом. Эмиттер второго основного транзисторного ключа связан с отрицательным выводом питания. Один вывод демпферного конденсатора связан с выводом средней точки полумоста, а другой его вывод соединен с отрицательным выводом питания. Коллектор первого вспомогательного транзисторного ключа, зашунтированного антипараллельным диодом, подключен к выводу первого разделительного конденсатора, другой вывод которого подключен к положительному выводу питания. Эмиттер первого вспомогательного транзисторного ключа связан с коллектором второго вспомогательного транзисторного ключа, также зашунтированного антипараллельным диодом, эмиттер которого связан с выводом второго разделительного конденсатора, другой вывод которого подключен к отрицательному выводу питания, который также связан с выводом конденсатора, другой вывод которого подключен к положительному выводу питания. Вывод средней точки полумоста также связан с выводом дросселя, другой вывод которого связан с коллектором второго вспомогательного транзисторного ключа. Технический результат заключается в снижении уровня бросков и осцилляций напряжения на основных транзисторных ключах устройства, снижении уровня полевых и кондуктивных помех, а также в дополнительном снижении тепловых потерь в основных силовых транзисторных ключах и антипараллельных им диодах. 2 ил.A device for reducing the switching losses of a bridge / half-bridge voltage inverter belongs to the field of electrical engineering and can be used in transistor bridge and half-bridge power converters to eliminate inrush currents through power transistor switches during their switching, to reduce switching losses in the power switches of the inverter and to increase the efficiency transducer. The collector of the first main transistor switch, shunted by the antiparallel diode, is connected to the positive power terminal, and its emitter is connected to the midpoint of the half-bridge and the collector of the second main transistor switch, also shunted by the antiparallel diode. The emitter of the second main transistor switch is connected to the negative power terminal. One output of the damper capacitor is connected to the output of the midpoint of the half-bridge, and the other its output is connected to the negative power output. The collector of the first auxiliary transistor switch, shunted by the antiparallel diode, is connected to the output of the first isolation capacitor, the other output of which is connected to the positive power output. The emitter of the first auxiliary transistor key is connected to the collector of the second auxiliary transistor key, also shunted by an antiparallel diode, the emitter of which is connected to the output of the second isolation capacitor, the other output of which is connected to the negative output of the power supply, which is also connected to the output of the capacitor, the other output of which is connected to the positive output nutrition. The output of the midpoint of the half-bridge is also connected to the output of the inductor, the other output of which is connected to the collector of the second auxiliary transistor switch. The technical result consists in reducing the level of voltage surges and oscillations on the main transistor switches of the device, lowering the level of field and conductive noise, as well as in additional reducing heat losses in the main power transistor switches and anti-parallel diodes. 2 ill.

Description

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в транзисторных мостовых и полумостовых преобразователях электроэнергии для устранения бросков тока через силовые транзисторные ключи при их коммутации, снижения коммутационных потерь в силовых ключах инвертора и связанного с этим повышения КПД преобразователя.The utility model relates to the field of electrical engineering and can be used in transistor bridge and half-bridge power converters to eliminate inrush currents through power transistor switches during their switching, to reduce switching losses in the power switches of the inverter and the associated increase in efficiency of the converter.

Известно устройство [1. Патент РФ на полезную модель №85045, опубл. 20.07.2009 г., МПК Н02М 1/16, Н02М 3/155], содержащее два основных транзисторных ключа, образующих основную транзисторную стойку с подключенными к ним антипараллельными обратными диодами, к которым также подключены два демпферных конденсатора. К средней точке транзисторной стойки также подключен вывод средней точки полумоста. Устройство также содержит два вспомогательных транзисторных ключа, образующих вспомогательную транзисторную стойку с подключенными к ним антипараллельными обратными диодами, причем коллекторы транзисторных стоек подключены к положительному выводу питания, а эмиттеры транзисторных стоек подключены к отрицательному выводу питания. Устройство также содержит дроссель, выводы которого подключены к средним точкам транзисторных стоек.A device is known [1. RF patent for utility model No. 85045, publ. July 20, 2009, IPC Н02М 1/16, Н02М 3/155], containing two main transistor switches that form the main transistor rack with antiparallel reverse diodes connected to them, to which two damper capacitors are also connected. The midpoint of the half-bridge is also connected to the midpoint of the transistor rack. The device also contains two auxiliary transistor switches forming an auxiliary transistor rack with antiparallel reverse diodes connected to them, with the collectors of the transistor racks connected to the positive power terminal and the emitters of the transistor racks connected to the negative power terminal. The device also contains a choke, the terminals of which are connected to the midpoints of the transistor racks.

Описанный автором режим работы [1] предполагает, что при работе устройства, размыкание любого из основных ключей сопровождается перехватом тока этого ключа демпферными конденсаторами, за счет чего осуществляется ограничение фронта напряжения на этом транзисторном ключе и, в следствие этого, снижаются коммутационные потери при его размыкании. Замыкание вспомогательных транзисторных ключей позволяет перезарядить демпферные конденсаторы таким образом, чтобы обеспечить замыкание основных силовых ключей при нуле напряжения.The mode of operation described by the author [1] suggests that during operation of the device, the opening of any of the main keys is accompanied by the interception of the current of this key by damping capacitors, due to which the voltage front is limited by this transistor key and, as a result, switching losses are reduced when it is opened . Closing the auxiliary transistor switches allows you to recharge the damping capacitors in such a way as to ensure the closure of the main power switches at zero voltage.

Однако, при реализации устройства [1] на базе стандартных силовых полумостовых транзисторных модулей, подключение демпферного конденсатора, выводы которого связаны с положительным выводом питания и выводом средней точки полумоста, должно производиться между крайними выводами силового модуля. Такое подключение демпферного конденсатора при использовании компланарных шин питания, ортогональных плоскости выводом силового модуля, приводит к образованию существенной паразитной индуктивности, включенной последовательно с указанным демпферным конденсатором. Эта паразитная индуктивность в сочетании с емкостями демпферных конденсаторов образует паразитный колебательный контур и приводит к появлению опасных резонансных процессов, возникающих при размыкании основных транзисторных ключей. Указанные процессы приводят к броскам и высокочастотным осцилляциям напряжения на основных транзисторных ключах при их размыкании, способным вывести из строя эти ключи и соответствующие им антипараллельные диоды. Помимо этого, указанные высокочастотные осцилляции напряжения на запертых транзисторных ключах и антипараллельных им диодах приводят к дополнительному тепловыделению в этих элементах, вызванному протеканием высокочастотного тока через них в силу наличия эквивалентной выходной емкости разомкнутого транзисторного ключа и барьерной емкости запертого диода. Также указанные высокочастотные колебания напряжения создают высокочастотные помехи как кондуктивного, так и полевого типов, способные нарушать нормальную работу блоков системы управления преобразователем.However, when implementing the device [1] on the basis of standard power half-bridge transistor modules, the connection of the damper capacitor, the terminals of which are connected to the positive power terminal and the midpoint of the half-bridge, should be made between the extreme terminals of the power module. Such a connection of the damper capacitor when using coplanar power buses orthogonal to the plane by the output of the power module leads to the formation of a significant parasitic inductance connected in series with the indicated damper capacitor. This stray inductance in combination with capacitances of the damper capacitors forms a stray oscillatory circuit and leads to the appearance of dangerous resonant processes that occur when the main transistor switches are opened. These processes lead to surges and high-frequency voltage oscillations on the main transistor switches when they open, which can disable these switches and their corresponding antiparallel diodes. In addition, these high-frequency voltage oscillations on the locked transistor switches and their diodes antiparallel to them lead to additional heat generation in these elements caused by the high-frequency current flowing through them due to the presence of the equivalent output capacitance of the open transistor switch and the barrier capacitance of the locked diode. Also, these high-frequency voltage fluctuations create high-frequency interference of both conductive and field types, which can disrupt the normal operation of the converter control system units.

Известно устройство [2. Патент РФ на полезную модель №90629, опубл. 10.01.2010 г., МПК Н02М 1/16, Н02М 3/155], содержащее два основных транзисторных ключа, образующих основную транзисторную стойку с подключенными к ним антипараллельными обратными диодами, к которым также подключены два демпферных конденсатора. К средней точке транзисторной стойки также подключен вывод средней точки полумоста. Коллектор основной транзисторной стойки подключен к положительному выводу питания, а ее эмиттер - к отрицательному выводу питания. Устройство также содержит два вспомогательных транзисторных ключа, образующих вспомогательную транзисторную стойку с подключенными к ним антипараллельными обратными диодами, причем коллекторы указанных транзисторных стоек соединены друг с другом через разделительный конденсатор, а эмиттеры этих транзисторных стоек соединены друг с другом также через разделительный конденсатор. Устройство также содержит дроссель, подключенный к средним точкам транзисторных стоек. Данное устройство взято за прототип, как наиболее близкое по технической сути к заявляемой полезной модели.A device is known [2. RF patent for utility model No. 90629, publ. January 10, 2010, IPC Н02М 1/16, Н02М 3/155], containing two main transistor switches that form the main transistor rack with antiparallel reverse diodes connected to them, to which two damper capacitors are also connected. The midpoint of the half-bridge is also connected to the midpoint of the transistor rack. The collector of the main transistor rack is connected to the positive power terminal, and its emitter to the negative power terminal. The device also contains two auxiliary transistor switches forming an auxiliary transistor rack with antiparallel reverse diodes connected to them, the collectors of these transistor racks being connected to each other via an isolation capacitor, and the emitters of these transistor racks are also connected to each other via an isolation capacitor. The device also contains a choke connected to the midpoints of the transistor racks. This device is taken as a prototype, as the closest in technical essence to the claimed utility model.

Принцип работы прототипа [2] заключается в ограничении фронта напряжения на основных транзисторных ключах при их выключении за счет перехвата тока соответствующего транзисторного ключа демпферными конденсаторами. Вспомогательные транзисторные ключи, образующие вторую транзисторную стойку предназначены для перезаряда демпферных конденсаторов перед включением основных транзисторных ключей для обеспечения включения соответствующего ключа при нуле напряжения на нем. Дроссель и разделительные конденсаторы, предназначены для обеспечения квазирезонансных процессов перезаряда демпферных конденсаторов при замыкании вспомогательных транзисторных ключей.The principle of operation of the prototype [2] is to limit the voltage front of the main transistor switches when they are turned off by intercepting the current of the corresponding transistor switch with damper capacitors. Auxiliary transistor switches that form the second transistor rack are designed to recharge the damping capacitors before turning on the main transistor switches to ensure that the corresponding switch is turned on at zero voltage. The inductor and isolation capacitors are designed to provide quasi-resonant processes for recharging damping capacitors when closing auxiliary transistor switches.

Описанный автором режим работы прототипа [2] также предполагает, что при работе устройства, размыкание любого из основных ключей сопровождается перехватом тока этого ключа демпферными конденсаторами, за счет чего осуществляется ограничение фронта напряжения на этом транзисторном ключе и, в следствие этого, снижаются коммутационные потери при его размыкании. Замыкание вспомогательных транзисторных ключей позволяет перезарядить демпферные конденсаторы таким образом, чтобы обеспечить замыкание основных силовых ключей при нуле напряжения.The prototype operation mode described by the author [2] also assumes that during operation of the device, opening of any of the main keys is accompanied by interception of the current of this key by damper capacitors, thereby limiting the voltage front on this transistor key and, as a result, switching losses are reduced when its opening. Closing the auxiliary transistor switches allows you to recharge the damping capacitors in such a way as to ensure the closure of the main power switches at zero voltage.

Однако устройство [2], в силу идентичности большей части существенных признаков, также обладает перечисленными недостатками, присущими устройству [1]. При использовании силовых полупроводниковых модулей и ортогональных шин питания, подключение конденсатора к крайним выводам силового модуля приводит к образованию паразитного колебательного контура и, вследствие этого, опасным броскам и осцилляциям напряжения на основных силовых ключах, приводящим к выходу из строя силовых транзисторных ключей, повышенному тепловыделению на транзисторных ключах и соответствующих им антипараллельных диодах и к высокочастотным помехам, нарушающим нормальную работу блоков системы управления преобразователя.However, the device [2], due to the identity of most of the essential features, also has the listed disadvantages inherent in the device [1]. When using power semiconductor modules and orthogonal power buses, connecting a capacitor to the extreme terminals of the power module leads to the formation of a spurious oscillatory circuit and, as a result, dangerous voltage surges and voltage oscillations on the main power switches, leading to failure of the power transistor switches, increased heat generation by transistor switches and their corresponding antiparallel diodes and to high-frequency noise that interfere with the normal operation of the blocks of the conversion control system the caller.

Технической проблемой является высокий уровень бросков и высокочастотных осцилляций напряжения в устройствах [1, 2], связанный с указанной паразитной индуктивностью, при использовании силовых полупроводниковых модулей и ортогональных шин питания, а также повышенное тепловыделение в силовых транзисторных ключах и антипараллельных диодах, связанное с протеканием высокочастотного тока, вызванного указанными осцилляциями.The technical problem is the high level of surge and high-frequency voltage oscillations in the devices [1, 2] associated with the indicated stray inductance when using power semiconductor modules and orthogonal power buses, as well as increased heat generation in power transistor switches and antiparallel diodes associated with the flow of high-frequency current caused by the indicated oscillations.

Технический результат заключается в снижении уровня бросков и осцилляций напряжения на основных транзисторных ключах устройства, снижение уровня полевых и кондуктивных помех, а также в дополнительном снижении тепловых потерь в основных силовых транзисторных ключах и антипараллельных им диодах.The technical result consists in reducing the level of voltage surges and oscillations on the main transistor switches of the device, reducing the level of field and conductive noise, as well as in additional reducing heat losses in the main power transistor switches and anti-parallel diodes.

Технический результат достигается следующим образом.The technical result is achieved as follows.

Заявляемая полезная модель также, как и прототип содержит два основных и два вспомогательных транзисторных ключа, один демпферный и два разделительных конденсатора, дроссель и четыре диода. Причем коллектор первого основного транзисторного ключа, зашунтированного антипараллельным диодом, подключен к положительному выводу питания, а его эмиттер связан с выводом средней точки полумоста и коллектором второго основного транзисторного ключа, также зашунтированного антипараллельным диодом. Эмиттер второго основного транзисторного ключа связан с отрицательным выводом питания. Один вывод демпферного конденсатора подключен к выводу средней точки полумоста, а другой вывод демпферного конденсатора подключен к отрицательному выводу питания. Коллектор первого вспомогательного транзисторного ключа, зашунтированного антипараллельным диодом, подключен к выводу первого разделительного конденсатора. Другой вывод первого разделительного конденсатора подключен к коллектору первого основного транзисторного ключа. Эмиттер первого вспомогательного транзисторного ключа связан с коллектором второго вспомогательного транзисторного ключа, также зашунтированного антипараллельным диодом, эмиттер которого связан с выводом второго разделительного конденсатора. Другой вывод второго разделительного конденсатора подключен к эмиттеру второго основного транзисторного ключа. Вывод средней точки полумоста также связан с выводом дросселя, другой вывод которого связан с коллектором второго вспомогательного транзисторного ключа.The inventive utility model as well as the prototype contains two main and two auxiliary transistor switches, one damper and two isolation capacitors, a choke and four diodes. Moreover, the collector of the first main transistor switch, shunted by the antiparallel diode, is connected to the positive power terminal, and its emitter is connected to the midpoint of the half bridge and the collector of the second main transistor switch, also shunted by the antiparallel diode. The emitter of the second main transistor switch is connected to the negative power terminal. One terminal of the damper capacitor is connected to the terminal of the midpoint of the half-bridge, and the other terminal of the damper capacitor is connected to the negative terminal of the power supply. The collector of the first auxiliary transistor switch, shunted by an anti-parallel diode, is connected to the output of the first isolation capacitor. The other terminal of the first isolation capacitor is connected to the collector of the first main transistor switch. The emitter of the first auxiliary transistor switch is connected to the collector of the second auxiliary transistor switch, also shunted by an anti-parallel diode, the emitter of which is connected to the output of the second isolation capacitor. The other terminal of the second isolation capacitor is connected to the emitter of the second main transistor switch. The output of the midpoint of the half-bridge is also connected to the output of the inductor, the other output of which is connected to the collector of the second auxiliary transistor switch.

В отличие от прототипа, заявляемая полезная модель дополнительно содержит конденсатор, причем один его вывод связан с положительным выводом питания, а другой его вывод подключен к отрицательному выводу питания.Unlike the prototype, the claimed utility model additionally contains a capacitor, and one of its output is associated with a positive power output, and the other its output is connected to a negative power output.

Совокупность существенных признаков заявляемой полезной модели среди известных источников информации заявителем не обнаружена, что подтверждает ее новизну.The set of essential features of the claimed utility model among the known sources of information by the applicant is not found, which confirms its novelty.

Отличительные признаки полезной модели в совокупности с известными признаками прототипа позволяют достигнуть заявленного технического результата.Distinctive features of the utility model in combination with the known features of the prototype allow to achieve the claimed technical result.

Техническая суть полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 показана функциональная схема заявляемой полезной модели. На фиг. 2 показан пример реализации устройства на базе силовых полумостовых модулей и ортогональной шины питания.The technical essence of the utility model is illustrated by drawings. In FIG. 1 shows a functional diagram of the claimed utility model. In FIG. 2 shows an example implementation of a device based on power half-bridge modules and an orthogonal power bus.

Устройство для снижения коммутационных потерь мостового/полумостового инвертора напряжения, схема которого представлены на фиг. 1, содержит транзисторные ключи 1, 5, 9, 12 диоды 2, 6, 10, 13 конденсаторы 8, 11, 14, 16, дроссель 15, выводы питания 3, 7 и вывод средней точки полумоста 4.A device for reducing switching losses of a bridge / half-bridge voltage inverter, the circuit of which is shown in FIG. 1, contains transistor switches 1, 5, 9, 12, diodes 2, 6, 10, 13, capacitors 8, 11, 14, 16, inductor 15, power leads 3, 7, and the midpoint output of the half-bridge 4.

Коллектор первого основного транзисторного ключа 1, зашунтированного антипараллельным диодом 2, подключен к положительному выводу питания 3, а его эмиттер связан с выводом средней точки полумоста 4 и коллектором второго основного транзисторного ключа 5, также зашунтированного антипараллельным диодом 6. Эмиттер второго основного транзисторного ключа 5 связан с отрицательным выводом питания 7. Один вывод демпферного конденсатора 8 соединен с выводом средней точки полумоста 4. Другой вывод конденсатора 8 соединен с отрицательным выводом питания 7. Коллектор первого вспомогательного транзисторного ключа 9, зашунтированного антипараллельным диодом 10, подключен к выводу первого разделительного конденсатора 11, другой вывод которого подключен к положительному выводу питания 3. Эмиттер первого вспомогательного транзисторного ключа 9 связан с коллектором второго вспомогательного транзисторного ключа 12, также зашунтированного антипараллельным диодом 13, эмиттер которого связан с выводом второго разделительного конденсатора 14, другой вывод которого подключен к отрицательному выводу питания 7. Коллектор второго основного транзисторного ключа 5 связан с выводом дросселя 15, другой вывод которого связан с коллектором второго вспомогательного транзисторного ключа 12. Один вывод конденсатора 16 соединен с положительным выводом питания 3, а другой вывод конденсатора 16 соединен с отрицательным выводом питания 7.The collector of the first main transistor switch 1, shunted by the antiparallel diode 2, is connected to the positive power terminal 3, and its emitter is connected to the midpoint of the half bridge 4 and the collector of the second main transistor switch 5, also shunted by the antiparallel diode 6. The emitter of the second main transistor switch 5 is connected with a negative power terminal 7. One terminal of the damper capacitor 8 is connected to the midpoint of the half bridge 4. The other terminal of the capacitor 8 is connected to the negative terminal of the pit 7. The collector of the first auxiliary transistor switch 9, shunted by the antiparallel diode 10, is connected to the terminal of the first isolation capacitor 11, the other terminal of which is connected to the positive power terminal 3. The emitter of the first auxiliary transistor switch 9 is connected to the collector of the second auxiliary transistor switch 12, also shunted antiparallel diode 13, the emitter of which is connected to the output of the second isolation capacitor 14, the other output of which is connected to the negative water supply 7. The collector of the second main transistor switch 5 is connected to the output of the inductor 15, the other output of which is connected to the collector of the second auxiliary transistor key 12. One terminal of the capacitor 16 is connected to the positive terminal of the power supply 3, and the other terminal of the capacitor 16 is connected to the negative terminal of the power supply 7 .

На фиг. 2 представлено аксонометрическое изображение примера реализации устройства на базе полупроводниковых модулей и ортогональной шины питания. Устройство, представленное на фиг. 2 представляет собой мостовой инвертор напряжения с заявляемым устройством для снижения коммутационных потерь. Устройство содержит три полумостовых транзисторных модуля, один из которых образует транзисторную стойку основных транзисторных ключей с антипараллельными диодами 1, второй модуль образует транзисторную стойку вспомогательных транзисторных ключей с антипараллельными диодами 2, а третий модуль образует дополнительную транзисторную стойку основных транзисторных ключей мостового инвертора с антипараллельными диодами 3. Также устройство содержит компланарную шину питания ортогонального типа 4 с расположенными на ней конденсаторами 5, разделительные конденсаторы 6, демпферный конденсатор 7 и теплосъемник 8. Выводы каждого полумостового модуля расположены в следующем порядке. Вывод средней точки полумостовой транзисторной стойки модуля расположен слева, вывод эмиттера транзисторной стойки расположен по центру модуля, а вывод коллектора транзисторной стойки расположен справа. Таким образом, демпферный дроссель, не показанный на данной фигуре, должен быть подключен между двумя выводами средних точек модулей 1 и 2. Нагрузка мостового инвертора должна быть подключена между выводами средних точек модулей 1 и 3. Конденсатор, подключенный между положительным и отрицательными выводами питания в схеме, представленной на фиг. 1, в данном примере на фиг. 2 выполнен из нескольких конденсаторов 5, соединенных параллельно и установленных на шину питания устройства 4. Разделительные конденсаторы 6 подключены между эмиттерными и коллекторными выводами полумостовых модулей 1 и 2 соответственно. Демпферный конденсатор 7 подключен между эмиттерным выводом и выводом средней точки модуля 1. Все перечисленные подключения согласуются со схемой, представленной на фиг. 1.In FIG. 2 is a perspective view of an example implementation of a device based on semiconductor modules and an orthogonal power bus. The device shown in FIG. 2 is a bridge voltage inverter with the inventive device to reduce switching losses. The device contains three half-bridge transistor modules, one of which forms the transistor rack of the main transistor switches with antiparallel diodes 1, the second module forms the transistor rack of the auxiliary transistor switches with antiparallel diodes 2, and the third module forms an additional transistor rack of the main transistor switches of the bridge inverter with antiparallel diodes 3 The device also contains a coplanar power bus of orthogonal type 4 with capacitors 5 located on it, isolation capacitors 6, damper capacitor 7 and heat sink 8. The outputs of each half-bridge module are located in the following order. The output of the midpoint of the half-bridge transistor rack of the module is located on the left, the output of the emitter of the transistor rack is located in the center of the module, and the output of the collector of the transistor rack is located on the right. Thus, a damper inductor, not shown in this figure, must be connected between the two terminals of the midpoints of modules 1 and 2. The load of the bridge inverter must be connected between the terminals of the midpoints of modules 1 and 3. A capacitor connected between the positive and negative power leads to the circuit shown in FIG. 1, in this example of FIG. 2 is made of several capacitors 5 connected in parallel and mounted on the power bus of device 4. Separating capacitors 6 are connected between the emitter and collector terminals of the half-bridge modules 1 and 2, respectively. A damper capacitor 7 is connected between the emitter terminal and the midpoint terminal of module 1. All of these connections are consistent with the circuit shown in FIG. one.

Как видно из примера, представленного на фиг. 2, подключение конденсатора прототипа, связанного с положительным выводом питания устройства и выводом средней точки полумоста при использовании ортогональной шины питания затруднено, поскольку его подключение должно производиться между крайними выводами модуля 1. При этом его близкому подключению препятствует шина питания 4. Подключение указанного конденсатора с более длинными выводами приводит к возникновению значительных токовых контуров, существенной паразитной индуктивности в цепи конденсатора и обозначенным недостаткам прототипа.As can be seen from the example shown in FIG. 2, the connection of the prototype capacitor associated with the positive terminal of the device’s power supply and the output of the midpoint of the half-bridge is difficult when using the orthogonal power bus, since it must be connected between the extreme terminals of module 1. At the same time, the power bus 4 prevents its close connection. long leads leads to the emergence of significant current circuits, a significant stray inductance in the capacitor circuit and the indicated disadvantages of prot type.

Устройство, техническая суть которого отражена на фиг. 1, работает следующим образом. Исходное состояние следующее: все транзисторные ключи разомкнуты, диоды закрыты, напряжения на конденсаторах равны нулю. При замыкании ключа 9, формируется квазирезонансный процесс заряда конденсатора 8 по контуру 8-7-3-11-9-15-8. Параметры резонансного процесса при этом определяются конденсаторами 8, 11 и дросселем 15. По окончании заряда конденсатора 8 до напряжения питания, происходит открытие диода 2 и контур протекания тока становится следующим: 11-9-15-2-11. Поскольку конденсатор 8 более не находится в контуре протекания тока, параметры резонансного процесса определяются только дросселем 15 и конденсатором 11. Замыкание ключа 1 в этот момент происходит при нуле напряжения на нем. Потенциал вывода 4 при этом становится равным потенциалу вывода 3 и через вывод 4 может протекать ток диагонали мостового/полумостового инвертора напряжения. После замыкания ключа 1, ключ 9 может быть разомкнут. Ток дросселя 15 при этом рекуперируется в конденсатор 16 по контуру 15-1-16-14-13-15. Конденсатор 16 должен обладать достаточной емкостью для, чтобы энергия дросселя 15, рекуперированная в конденсатор 16 не приводила к существенному повышению напряжения питания. При практической реализации устройства пульсация этого напряжения может быть ограничена на уровне 5-10%, что является незначительным. В дальнейшем рекуперированная энергия также используется для питания устройства. По окончании процесса рекуперации, диод 13 запирается и ток через дроссель 15 прекращается. По окончании требуемой длительности открытого состояния ключа 1, производят его выключение. При этом ток ключа 1 перехватывается демпферным конденсатором 8 и фронт напряжения на ключе 1 затягивается. Таким образом обеспечивается снижение коммутационных потерь при коммутации ключа 1.A device whose technical essence is illustrated in FIG. 1, works as follows. The initial state is as follows: all transistor switches are open, the diodes are closed, the voltage across the capacitors is zero. When the key 9 is closed, a quasi-resonant process of charging the capacitor 8 along the circuit 8-7-3-11-9-15-8 is formed. The parameters of the resonant process in this case are determined by the capacitors 8, 11 and the inductor 15. At the end of the charge of the capacitor 8 to the supply voltage, the diode 2 opens and the current flow path becomes 11-9-15-2-11. Since the capacitor 8 is no longer in the current path, the parameters of the resonance process are determined only by the inductor 15 and the capacitor 11. The closure of the key 1 at this moment occurs at zero voltage on it. The potential of terminal 4 then becomes equal to the potential of terminal 3 and the diagonal current of the bridge / half-bridge voltage inverter can flow through terminal 4. After closing the key 1, the key 9 can be opened. The current of the inductor 15 is recovered in the capacitor 16 along the circuit 15-1-16-14-13-15. The capacitor 16 must have sufficient capacity so that the energy of the inductor 15 recovered in the capacitor 16 does not lead to a significant increase in the supply voltage. In the practical implementation of the device, the ripple of this voltage can be limited at the level of 5-10%, which is insignificant. Subsequently, recovered energy is also used to power the device. At the end of the recovery process, the diode 13 is locked and the current through the inductor 15 is stopped. At the end of the required duration of the open state of the key 1, it is turned off. In this case, the current of the key 1 is intercepted by the damper capacitor 8 and the voltage front on the key 1 is delayed. This ensures a reduction in switching losses when switching the key 1.

При работе во втором полупериоде происходят идентичные процессы. При замыкании ключа 12, формируется квазирезонансный процесс разряда конденсатора 8 по контуру 8-15-12-14-8. Параметры резонансного процесса при этом определяются конденсаторами 8, 14 и дросселем 15. По окончании разряда конденсатора 8 до нулевого напряжения, происходит открытие диода 6 и контур протекания тока становится следующим: 15-12-14-6-15. Замыкание ключа 5 в этот момент происходит при нуле напряжения на нем. Потенциал вывода 4 при этом становится равным нулю. После замыкания ключа 5, ключ 12 может быть разомкнут. Ток дросселя 15 при этом рекуперируется в конденсатор 16 по контуру 15-10-11-16-5-15. По окончании процесса рекуперации, диод 10 запирается и ток через дроссель 15 прекращается. По окончании требуемой длительности открытого состояния ключа 5, производят его выключение. При этом ток ключа 5 перехватывается конденсатором 8 и фронт напряжения на ключе 5 затягивается. Таким образом, достигается снижение коммутационных потерь при коммутации ключа 5.When working in the second half-cycle, identical processes occur. When the key 12 is closed, a quasi-resonant discharge process of the capacitor 8 is formed along the circuit 8-15-12-14-8. The parameters of the resonance process in this case are determined by the capacitors 8, 14 and the inductor 15. At the end of the discharge of the capacitor 8 to zero voltage, the diode 6 opens and the current path becomes the following: 15-12-14-6-15. The closure of the key 5 at this moment occurs when the voltage on it is zero. The potential of output 4 in this case becomes equal to zero. After closing the key 5, the key 12 can be opened. The current of the inductor 15 is recovered in the capacitor 16 along the circuit 15-10-11-16-5-15. At the end of the recovery process, the diode 10 is locked and the current through the inductor 15 is stopped. At the end of the required duration of the open state of the key 5, it is turned off. In this case, the current of the switch 5 is intercepted by the capacitor 8 and the voltage front on the switch 5 is delayed. Thus, a reduction in switching losses is achieved when switching the key 5.

Из описанного режима работы видно, что появление тока дросселя 15 и начало квазирезонансного процесса зависит от напряжения на конденсаторе 8 в момент замыкания соответствующего вспомогательного ключа. При напряжении, равном напряжению питания, на конденсаторе 8 в момент замыкания ключа 9 или нулевом напряжении на конденсаторе 8 в момент замыкания ключа 12, токов через вспомогательные ключи не возникает. В свою очередь, напряжение на конденсаторе 8 в эти моменты определяется величиной тока нагрузки мостового/полумостового инвертора, протекающего через вывод 4. Таким образом, при достаточно высоком уровне тока нагрузки, перезаряд конденсатора 8 будет производиться автоматически и никаких тепловых потерь во вспомогательных цепях снаббера не возникает, однако в тех случаях, когда ток нагрузки будет недостаточно высок, снаббер обеспечит мягкое переключение основных транзисторных ключей без бросков тока через них.From the described operating mode it is seen that the appearance of the inductor current 15 and the beginning of the quasi-resonant process depends on the voltage on the capacitor 8 at the time of closure of the corresponding auxiliary switch. When the voltage equal to the supply voltage on the capacitor 8 at the time of closing the switch 9 or zero voltage on the capacitor 8 at the time of closing the switch 12, currents through auxiliary switches do not occur. In turn, the voltage across the capacitor 8 at these times is determined by the load current of the bridge / half-bridge inverter flowing through terminal 4. Thus, at a sufficiently high level of the load current, the capacitor 8 will be recharged automatically and there will be no heat loss in the auxiliary snubber circuits arises, however, in cases where the load current is not high enough, the snubber will provide soft switching of the main transistor switches without inrush current through them.

При этом, отсутствие паразитной индуктивности, образованной выводами конденсатора прототипа, подключенного между положительным выводом питания и выводом средней точки полумоста, приводит к устранению соответствующего паразитного колебательного контура и существенному снижению бросков и осцилляций напряжения на основных транзисторных ключах при их выключении, способных вывести из строя силовые элементы устройства, что является одним из основных преимуществ полезной модели относительно прототипа [2]. Это преимущество особенно эффективно при использовании ортогональных шин питания. В примере конструктивного исполнения, представленном на фиг. 2 видно, что подключение вышеуказанного демпферного конденсатора прототипа было бы затруднено, поскольку конструктивно его подключению препятствует шина питания устройства. С другой стороны, использование ортогональных шин питания имеет ряд преимуществ по сравнению с классическими плоскими компланарными шинами. Представленная на фиг. 2 конструкция, полученная за счет использования нового заявляемого схемотехнического решения с использованием стандартной элементной базы, позволяет получить компактное расположение элементов устройства, избегая длинных токовых контуров, приводящих к существенным паразитным индуктивностям и, как следствие, к существенным паразитным высокочастотным резонансным процессам. За счет снижения уровня этих опасных резонансных процессов дополнительно снижается уровень тепловых потерь, вызванных осцилляциями напряжения на закрытых основных транзисторных ключах и запертых антипараллельных им диодах, а также снижается уровень высокочастотных помех как кондуктивного, так и полевого типов, создаваемых устройством.Moreover, the absence of parasitic inductance formed by the terminals of the prototype capacitor connected between the positive power output and the output of the midpoint of the half-bridge leads to the elimination of the corresponding parasitic oscillatory circuit and a significant reduction in voltage surges and oscillations on the main transistor switches when they are turned off, which can disable power elements of the device, which is one of the main advantages of the utility model relative to the prototype [2]. This advantage is especially effective when using orthogonal power rails. In the embodiment shown in FIG. 2 shows that the connection of the above damper capacitor of the prototype would be difficult, since its structural connection is prevented by the power bus of the device. The use of orthogonal power rails, on the other hand, has several advantages over classic flat coplanar rails. Presented in FIG. 2, the design obtained by using the new inventive circuitry using a standard element base allows a compact arrangement of the device elements, avoiding long current circuits leading to significant stray inductances and, as a result, to significant stray high-frequency resonant processes. By reducing the level of these dangerous resonant processes, the level of heat losses caused by voltage oscillations on the closed main transistor switches and the locked diodes antiparallel to them is further reduced, and the level of high-frequency noise generated by both the conductive and field types is reduced.

Таким образом, в заявляемой полезной модели достигается заявленный технический результат.Thus, in the claimed utility model, the claimed technical result is achieved.

Заявляемая полезная модель является промышленно применимой, так как может быть многократно реализована с помощью серийно выпускаемых элементов с достижением указанного технического результата.The inventive utility model is industrially applicable, as it can be repeatedly implemented using commercially available items with the achievement of the specified technical result.

Claims

A device for reducing switching losses of a bridge / half-bridge voltage inverter containing four transistor switches, four diodes, three capacitors, a choke, and the collector of the first transistor switch, shunted by an antiparallel diode, is connected to the positive power terminal, and its emitter is connected to the midpoint point of the half-bridge, to which is also connected the collector of the second transistor switch, shunted by an antiparallel diode, the emitter of which is connected to the negative power terminal, to which the output of the damper capacitor is also connected to the output, the other output of which is connected to the midpoint of the half-bridge, and the output of the first isolation capacitor is connected to the positive output, the other output of which is connected to the collector of the third transistor switch, shunted by an antiparallel diode, the emitter of which is connected to the collector of the fourth transistor a key shunted by an antiparallel diode and a choke terminal, the other terminal of which is connected to the midpoint of the half-bridge, than the emitter of the fourth transistor switch is connected with terminal of the second capacitor, the other terminal of which is connected to the negative power supply terminal, characterized in that it further comprises a capacitor, and one of its output is connected to the positive terminal of the power, and the other end being connected to the negative terminal of the device.