Ключевой усилитель мощности
Предложен ключевой усилитель мощности для мостовых полупроводниковых преобразователей на составных транзисторах, составленных из силового и вспомогательного биполярных транзисторов, управляемых от обмоток трансформатора, первичная обмотка которого включена по мостовой схеме между предварительным и выходным каскадами усиления, причем между коллекторами силового и вспомогательного транзисторов включен источник смещения, а между базой вспомогательного транзистора и коллектором силового транзистора включены два последовательно соединенных диода, а упомянутый трансформатор снабжен двумя дополнительными обмотками, каждая из которых присоединена между коллекторами силового и вспомогательного транзисторов.
Предложенный усилитель резко упрощает схему с регулируемой глубиной насыщения и уменьшает величину «сквозных» токов при переключении. Представлен вариант использования в однофазном преобразователе.
Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована при построении полупроводниковых преобразователей постоянного напряжения в переменное, основным устройством которого является ключевой усилитель мощности, большинство из которых строится по мостовым схемам. Основным элементом мостового преобразователя является последовательная пара силовых ключей-стойка. Самое широкое распространение получили твердотельные составные усилители мощности из полевого и биполярного транзисторов, которые часто называют IGBT ключами.
Недостаток этих ключевых усилителей состоит в том, что падение напряжения на таком ключе достигает 2-3 Вольт. При напряжении питания около 500 В, это не сильно уменьшает к.п.д., но при питании 27 В или тем более 12 В это оказывается, в большинстве случаев, недопустимо.
Использование силовых полевых транзисторов требует резкого увеличения площади кристалла, так как они примерно в 5 раз проигрывают биполярным транзисторам по необходимой площади кристалла для одного и того же тока, при заданном падении напряжения на ключе.
В этом случае обращаются к биполярным составным транзисторам со специальным источником смещения.
Известен ключевой усилитель мощности [1] с источником смещения на базе выпрямителя, само присутствие которого связано с дополнительными потерями.
Известен ключевой усилитель [2] в котором источник смещения выполнен без использования выпрямителя. Уменьшение потерь достигается в нем за счет усложнения схемы. На один силовой транзистор требуется два вспомогательных транзистора и четыре обмотки.
Кроме того, в ключевых усилителях мощности, работающих в мостовой схеме, имеется проблема «сквозных» токов в стойке.
Предлагается ключевой усилитель мощности резко упрощающий схему и ограничивающий «сквозные токи» в силовой стойке.
Это достигается тем, что ключевой усилитель мощности для мостовых полупроводниковых преобразователей на составных транзисторах, составленных из силового и вспомогательного биполярных транзисторов, управляемых от обмоток трансформатора, первичная обмотка которого включена по мостовой схеме между предварительным и выходным каскадами усиления, причем между коллекторами силового и вспомогательного транзисторов включен источник смещения, а между базой вспомогательного транзистора и коллектором силового транзистора включены два последовательно соединенных диода обратной связи, а упомянутый трансформатор снабжен двумя дополнительными обмотками, каждая из которых присоединена между коллекторами силового и вспомогательного транзисторов.
На фигуре 1 представлена схема предлагаемого ключевого усилителя мощности в варианте использования его в однофазном преобразователе постоянного напряжения в синусоидальное переменное напряжение.
Формы токов и напряжений в схеме представлены на фигуре 2.
В состав схемы входят:
1; 2- силовые ключи из биполярного транзистора и шунтирующего диода;
3; 4 - вспомогательные биполярные транзисторы;;
5; 6 - транзисторы предварительного каскада усилия;
7; 8 - диоды обратной связи;
Tp1 - трансформатор управления;
W1 - первичная обмотка, W2 W3 - обмотки;
Lф - индуктивность фильтра;
Zн - нагрузка.
Работает ключевой усилитель в составе выходного каскада преобразователя следующим образом.
При включении транзистора 6 на началах (обозначены точками) обмоток трансформатора Tp1 возникают положительные потенциалы, которые обеспечивают протекание базового тока через транзистор 3 и силовой полупроводниковый ключ 1.
Биполярный силовой транзистор ключа 1 переходит в область насыщения, на его базе возникает положительный потенциал относительно коллектора, который суммируется с напряжением база-эмиттер транзистора 3, и через регулирующие диоды 7 начинает протекать ток, уменьшающий ток базы транзистора 3, переводя его в область граничную с областью насыщения. В результате, за счет действия смещающего напряжения на дополнительной обмотке W5 и регулирования базового тока транзистора 3, силовой транзистор ключа 1 переходит в регулируемую падениями напряжения на p-п переходах диодов 7 и базового перехода транзистора 3, область насыщения с минимизацией прямого падения напряжения между коллектором и эмиттером.
При выключении транзистора 6, за счет реакции индуктивности обмотки W1, полярность на обмотках меняется, но пока силовой ключ 1 находится в области рассасывания избыточных носителей он замыкает обмотку W1 через ключ 5.
В результате напряжение на обмотке W2 оказывается недостаточным для включения силового ключа 2, и только по мере перехода силового ключа 1 через активную область в область отсечки, нарастает базовый ток транзистора 4 и силового транзистора ключа 2, что и переводит его в регулируемую область насыщения. Это резко снижает выбросы «сквозных» токов при переключении, увеличивает надежность и к.п.д.
В дальнейшем процессы повторяются с поочередным переключением силовых ключей 1 и 2.
При управлении транзисторами предварительного каскада управления с высокочастотной модуляцией основной частоты, за счет действия фильтра Lф, на нагрузке Zн формируется синусоидальный ток и напряжение, как это показано на фигуре 2. Практически, падение напряжения на силовых ключах не превышает 0,2÷0,3 Вольта, а для каждого силового ключа требуется только по одному вспомогательному транзистору и по одной обмотке.
Источники:
1. (19) SU(11) 1427530 A1 от 30.09.1988 г. Бюл. 
36 Н02М 7/538
2. (19) RU(11) 86366 U1 от 27.08.2009 г. Бюл. 24
Ключевой усилитель мощности для мостовых полупроводниковых преобразователей на составных транзисторах, составленных из силового и вспомогательного биполярных транзисторов, управляемых от обмоток трансформатора, первичная обмотка которого включена по мостовой схеме между предварительным и выходным каскадами усиления, причем между коллекторами силового и вспомогательного транзисторов включен источник смещения, а между базой вспомогательного транзистора и коллектором силового транзистора включены два последовательно соединенных диода, отличающийся тем, что упомянутый трансформатор снабжен двумя дополнительными обмотками, каждая из которых присоединена между коллекторами силового и вспомогательного транзисторов.
