185577. lajstromszámú szabadalom • Kapcsolási elrendezés egyenfeszültség bemenetű, önoltó kapcsolóelemeket tartalmazó, ellenütemű kapcsolóüzemű feszültségkonverterek megvalósítására
1 185577 2 A találmány tárgya olyan önoltó kapcsolóelemeket (például tranzisztorokat) tartalmazó csökkentett kapcsolási veszteségű, ellenütemű kapcsolási elrendezés, aminek közbeiktatásával egyenfeszültségű tápforrásról polaritásban és/vagy amplitúdóban változó feszültségigényű/áramigényű fogyasztók láthatók el energiával. Az automatizálás előrehaladásával egyre több fogyasztó igényel időben változó feszültségű/áramú táplálást. A változás jellegét a fogyasztó villamos paraméterei, azoknak változása és/vagy annak a technológiai láncnak a jellemzői szabják meg, melyeket a szóbanforgó fogyasztók táplálásával lehet módosítani. Ilyen fogyasztók például a szabályozott egyenáramú, váltakozóáramú forgógépek, az 50 Hz-es váltakozóáramú energiával működtethető, de szünetmentes energiaellátást igénylő készülékek, hőmérsékletszabályozók beavatkozó egységei, változtatható mágneses nagy villamos teret előállító egységek stb. Polaritásban és/vagy amplitúdóban változtatható feszültség/áram előállítására ismeretesek a lineáris üzemben működő erősítőkapcsolások. Hátrányuk, hogy a hatásfokuk még az energiahasznosítás szempontjából legkedvezőbb AB vagy B osztályú ellenütemű üzemmódban is alacsony, ezért általában csak kis teljesítményigényű fogyasztók táplálására használják őket. Nagyobb teljesítményű fogyasztók táplálására előnyösen kapcsolóüzemű áramköröket használnak, melyeknek kapcsolási frekvenciája a fogyasztón előállítani kívánt maximális változási frekvenciaösszetevőnél legalább egy nagyságrenddel nagyobb, így a kapcsolóüzemből adódó változás a fogyasztón — szükség esetén aluláteresztő szűrő közbeiktatásával — a megengedett értékre korlátozható. Annak érdekében, hogy a fogyasztó és/vagy az aluláteresztő szűrő induktív árama a kapcsoló kikapcsolt állapotában is záródni tudjon, ezeket a megoldásokat mindig kiegészítik kapcsolóelemenként egy-egy darab úgynevezett szabadonfutó, vagy nulladidódával. Ha a fogyasztó feszültségének/áramának polaritását is változtatni kell, előnyösen kapcsolóüzemben is ellenütemű megoldások használhatók. Ezekben a kapcsolásokban a fogyasztón a kimeneti feszültség nagyságát és polaritását a két ellenütemben vezérelt kapcsoló bekapcsolási időivel lehet befolyásolni. Az egyes áramkörök felépítését alapvetően befolyásolja a kapcsolóelem önoltó (például elektroncső, tranzisztor) vagy nem önoltó (például tirátoncső, tirisztor) jellege. Az ismert, nem önoltó kapcsolóelemet tartalmazó megoldások az oltókör felépítésében és áramköri elhelyezésében különböznek alapvetően egymástól. (Csáki—Bárki—Ganszky—Ipsits—Marti: Teljesítményelektronika, 178—240. oldal.) Az önoltó kapcsolóelemek alkalmazásának nagy előnye egyrészt, hogy alkalmazásukkor a teljesítménykörbe oltóköröket nem kell beépíteni, így velük kisebb méretű, olcsóbb áramköri megoldások realizálhatók, másrészt, hogy a kapcsolási frekvencia lényegesen nagyobbra választható, ami a kimeneti aluláteresztő szűrőben jelent méret és árcsökkenést, sokszor a szűrő elhagyását is lehetővé teszi. Széleskörű elterjedésüket sokáig az önoltó kapcsolóelemek erősen korlátozott kapcsolási teljesítménye késletette. A kereskedelemben kapható teljesítménytranzisztorok kapcsolási teljesítménye napjainkban rövid idő alatt ugrásszerűen megnőtt, és még további növekedés várható. Ez lehetővé tette önoltó kapcsolóelemekre épülő kapcsolási elrendezések realizálását nagyteljesítményű feszültségkonverterekben előnyös méretben, kedvező áron. Ezekben a kapcsolási elrendezésekben a kapcsolóelemek átkapcsolás] veszteségcsúcsai nagyságrenddel nagyobbak akár a bekapcsolt, akár a kikapcsolt állapot veszteségénél. Ezért nagyobb teljesítményen csökkentésük feltétlenül indokolt. A kikapcsolási veszteségcsúcs a kapcsolóelemmel párhuzamosan kötött kapacitív szűrővel csökkenthető, amely a viszonylag nagy kapcsolási frekvencia miatt általában nem egyszerű soros R—C tag, hanem leggyakrabban soros dióda-kondenzátor, melyben a diódát áthidalják egy kisütőellenállással. A bekapcsolási veszteségcsúcs egy, a kapcsolóelemmel sorosan kapcsolt, diódával és csillapító elemmel áthidalt induktív szűrővel csökkenthető. Az ismert megoldásokban (Elektrotechnische Zeitschrift Bd. 100. 1979. Heft 13. 664—670), ezeket az átkapcsolási veszteségcsökkentő szűrőket kapcsolóelemenként egyedileg alkalmazzák. Ami azt jelenti, hogy egy ellenütemű kapcsolás két kapcsolóeleméhez két párhuzamos kapacitív és két soros induktív szűrőt alkalmaznak. Hátránya még a megoldásnak, hogy a soros induktív szűrőn csak a kapcsolóelem által megszabott, egyirányú áram folyik. Ez az egyirányúan előmágnesezett kapcsolóelemenként beépített soros induktív szűrő viszonylag rossz kihasználását eredményezi. A találmány révén megoldható feladat olyan ellenütemű kapcsolási elrendezés kialakítása, mely a kapcsolóelemek átkapcsolási veszteségcsúcsainak csökkentéséhez az eddig ismert megoldásokkal ellentétben nem igényel kapcsolóelemenként egyedileg kiépített soros induktív szűrőtagot. Ugyanakkor az egyetlen közös, kombinált szűrőtagos kapcsolási elrendezés az ismert megoldásokkal azonos átkapcsolási veszteségcsökkenést alapulvéve egyszerűbb áramköri felépítésű, kisebb méretű, olcsóbb. A találmány alapja az a felismerés, hogy ellenütemű kapcsolásban az önoltó kapcsolóelemek átkapcsolási veszteségcsúcsainak lecsökkentése egyszerűbben, olcsóbban, kisebb méretben megvalósítható, ha a kapcsolóelemenként egyedileg beépített, bekapcsolási veszteséget csökkentő soros induktív szűrők helyett egy újszerű megoldású, csatolt induktivitásra épülő közös soros induktív szűrőt alkalmaznak. A találmány tárgya önoltó kapcsolóelemeket (például tranzisztorokat) tartalmazó csökkentett kapcsolási veszteségű, ellenütemű kapcsolási elrendezés, aminek kapcsolóelempárja közős bekapcsolási veszteségcsökkentő induktív szűrőt tartalmaz, és amivel egyenfeszültségű tápforrásról polaritásban és/vagy amplitúdóban változó feszültségigényű/áramigényű fogyasztó látható el energiával. A találmány lényege, hogy egyetlen középpontmegcsapolású, célszerűen mágnesesen csatolt, fojtótekerccsel és annak végeit áthidaló soros diódára-ellenálláslánccal megvalósítható egy ellenütemben vezérelt önoltó kapcsolóelempár (pl. tranzisztorpár) bekapcsolási veszteségcsökkentése, ha a fojtótekercs végeit a két önoltó kapcsolóelem közé (a nem tápfeszültség5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 fiO 55 2
