專利名稱：高可靠性高壓快速關(guān)斷直流變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電動機車上將直流高壓(400－800伏)變換成直流低壓的裝置。
當(dāng)前大中型礦山上均使用550伏直流架空供電方式，由于電壓高、波動大，一般在300－700伏之間波動。瞬時達800伏以上，而機車裝配上所需直流低壓(如照明、喇叭、載波電話等設(shè)備的電源)。必須從直流高壓變換為穩(wěn)定的直流低壓。以前采用電壓降方式和調(diào)頻可控硅變換辦法得到低壓。但前者效率僅在5％左右。電能浪費大，后者變換范圍小，適用性也小，帶載能力差，波動大，且易失控，當(dāng)瞬時值大于600伏就無法工作，效率在60％以下。
近年來推出一種開關(guān)式脈沖調(diào)寬調(diào)制變換方式，變換率可到80％以上，電壓適用范圍擴大，可在380－780伏波動內(nèi)應(yīng)用，帶載能力強，輸出電壓穩(wěn)定。此變換形式已由江西省贛東北無線電廠生產(chǎn)的DYZ－01型機上應(yīng)用。但是其MTBF值(平均失效間隔時間)小于300小時。這對推廣應(yīng)用是個影響。若能將MTBF值進一步提高，整機的可靠性增強，推廣應(yīng)用就會擴大。
經(jīng)實際應(yīng)用調(diào)查研究，此變換技術(shù)其MTBF值小的原因，主要由于高壓開關(guān)變換管不能耐二次擊穿所造成。目前脈寬調(diào)制變換技術(shù)中，高壓開關(guān)管采用的是雙極型晶體管為變換器件，在關(guān)斷方式上，采用基極加反向偏置，如圖一所示。其機理是迅速復(fù)合基區(qū)少數(shù)載流子，縮短存貯時間和電流下降時間，其基極反向電壓超高，反向電流就越大，關(guān)斷越迅速，但是由于“壓縮效應(yīng)”關(guān)系，電流集中于發(fā)射極中心，易形成過熱點發(fā)生二次擊穿，特別是當(dāng)集電極為感性時，最易發(fā)生二次擊穿再是反偏壓時，關(guān)斷時間仍然較長，關(guān)斷后開關(guān)管在較長時間內(nèi)承受著高壓大電流所形成高功耗損，不但耗散大的功率，而對開關(guān)管的壽命影響較大再次是在電感性負(fù)載時，工作電壓越高關(guān)斷時間越長，關(guān)斷前高壓開關(guān)管的集電極電流越大，電感貯能也越大，電流的衰減時間也會增長管子長時間工作在危險功率區(qū)，二次擊穿的機率增加，MTBF值提不高。開關(guān)管工作在脈沖調(diào)制狀態(tài)中，其瞬時功率將會達到最大平均功率的幾倍到幾十倍，變換器的負(fù)載為感性時，此種情況也存在，所以瞬時關(guān)斷時，易發(fā)生二次擊穿。
本實用新型的目的為提高開關(guān)轉(zhuǎn)換器件的耐二次擊穿能力，加速關(guān)斷速度，提高MTBF值，增加整機的可靠性。
本設(shè)計的構(gòu)思是由雙極型晶體管的擊穿電壓特征是以啟示，BVcbo(發(fā)射開路時集電極反向電壓)大于BVceo(基極開路時集電極反向電壓)。顯然如果能使發(fā)射極開路的方式來關(guān)斷變換器，管子所承受的耐壓能力最強。因此本發(fā)明采用發(fā)射極的開路方式來關(guān)斷高壓變換開關(guān)管。其措施是用一個由VMos管(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管)組成關(guān)斷電路，串接在發(fā)射極電路中，如圖二所示復(fù)合開關(guān)變換器即是在主開關(guān)管BG1的發(fā)射極串BG3、B2、L3、R12、C7、R9所組成開關(guān)電路，D10路為泄放二極管。當(dāng)脈沖來到時，同加在BG1基極和BG3的柵極上，在同一時間內(nèi)，如t1時，均由高電平突變?yōu)榈碗娖?。因為BG3(VMos)是高速開關(guān)器件，比BG1速度高，所以BG3先關(guān)斷，達到BG1的發(fā)射極開路，從而增加了主開關(guān)管BG1的關(guān)斷速度和耐二次擊穿的能力，且集電極上所貯存電流由D10泄放掉了。克服主開關(guān)管在關(guān)斷后所承受高壓大電流所形成的高功率影響壽命。
本實用新型實施后，與采用基極反向偏置相比，二次擊穿電壓由820伏提高到1500伏，關(guān)斷后速度提高2倍，功耗降低三分之一以上。增強了高壓開關(guān)管的抗二次擊穿能力。其MTBF值可以提高到10000小時以上。整機可靠性大為提高了。
本實用新型在實施應(yīng)用中，可根據(jù)輸出功率的要求，采用不同的形式來實現(xiàn)，如功率要求在200瓦以下，電壓300伏(輸入電壓)以下，采用單一復(fù)合開關(guān)變換器件轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)，電壓大于300伏，功率在200－－500瓦時，采用半橋式的轉(zhuǎn)換如圖五實施例來實現(xiàn)。若功率要求在500－1000以上的，必須采用圖三所示的全橋形式的轉(zhuǎn)換方式。


圖一基極加反向偏置變換原理圖圖二用VMos管與高壓開關(guān)管組成復(fù)合開關(guān)變換器件原理圖圖三用復(fù)合開關(guān)變換器件組成全橋變換的原理圖圖四變換器的方框圖其中(1)直流高壓輸入濾波器(2)過壓保護(3)轉(zhuǎn)換電路(4)激勵級(5)脈寬調(diào)制器(6)直流低壓輸出(7)電壓取樣(8)電流保護電路(9)初始啟動電路。
圖五200瓦－500瓦半橋變換器的電原理圖。
實施例圖五中輸入濾波器(1)由L1、C1過壓保護(2)由壓敏電阻VR(820V)、D1、D2(2CZ58M)、R1(20Ω／50W)構(gòu)成；橋式轉(zhuǎn)換(3)由R2、R3(440K)、C2、C3(2×220μF)為兩臂，D4、D5(2CZ34L)、D6、D7(TVP8.2V)，R4、R6(360Ω)、R5、R7(100Ω)、C4、C5(4700PF／2KV)以及主開關(guān)管BG1、BG2(BV508A)，VMOS管BG3、BG4(IRF100)，D8、D9(2CZ31)，D10、D11(TVB8.2V)，R12、R13(8.2K)，C7、C8(0.1μF)，R8、R10(2.4Ω)，R9、R11(200Ω)構(gòu)成兩臂，組成半橋轉(zhuǎn)換電路。激勵級(4)，由B2、B3(次級與初級之比為2510)，BG5、BG6(3DA87)，R19、R20(2K)，C9、C10(1000P)組成兩個激勵級；脈寬調(diào)制器(5)采用IC1(SG3525A)集成塊及其外接元器件組成，R23、R26、R28(均為5.1K)，R25(200Ω)、R27(300Ω)、R33(470Ω)、R35(30K)、C12(0.47μF)、C13(0.1μ)、C18(6800PF)、C9(1μF)、C20(50P)；直流低壓輸出(6)通過變壓器B1(初次級之比為511)，從橋中取出，經(jīng)D16、D17(ZK10A／100V)整流后，通過L2、C24、C25(2200μF)、R32(120Ω)濾波輸出穩(wěn)定24V低壓，其中R29(320Ω／50W)、C21(4700PF)、R30、R31(5.6Ω)、C22、C23(0.1μF)、C26(2μF／1KV)電壓取樣(7)從輸出端取得經(jīng)R21(30K)、R22(15K)、R24(5.1K)、C11(0.01)、C17、R35(30K)、C12(0.47μF)，獲得供給脈寬調(diào)制器(5)所需電源，并經(jīng)D12(2CZ31A)、C14(4700PF)供繼電器J的工作電壓；電流保護電路(8)，由橋的輸出中取得取樣電流，經(jīng)JC(ISD74)光電耦合器組成的。其中R16、R17、R18(10K)、D14(2CP40B)；初始啟動電路(9)為整機開始工作前，所需有關(guān)電壓而設(shè)置的，一旦整機工作后，此裝置就失去工作的，調(diào)制器及激勵級所需電壓均由低壓輸出取得電壓，各元件參數(shù)是R34(820Ω／50W)、D3(2DW123)穩(wěn)壓管、D15(4007)、C15(3×0.1μF)，J1、J2為繼電器兩觸點。整機起動后繼電器J開始工作，J1、J2兩點由關(guān)閉狀態(tài)變?yōu)殚_啟狀態(tài)，此路電壓繼開。按此電原理圖實施，整機的MTBF值在1000小時以上，達到設(shè)想的結(jié)果，并投入到試機階段。
在高速高壓開關(guān)管問世以前此種復(fù)合開關(guān)變換器件的應(yīng)用，具有它的實際價值。
權(quán)利要求1.高可靠性高壓快速關(guān)斷直流變換器，其特征在于該變換器包括直流高壓濾波器(1)、過壓保護(2)、轉(zhuǎn)換電路(3)、激勵級(4)、脈沖調(diào)制器(5)、直流低壓輸出(6)、電壓取樣(7)、電流保護電路(8)、初始啟動電路(9)所組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述變換器，其特征在于轉(zhuǎn)換電路(3)中變換器件高壓開關(guān)管采用發(fā)射極開路的工作方式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述變換器，其特征在于采用VMOS高速開關(guān)管組成開關(guān)電路，串接在主開關(guān)管的發(fā)射極組成復(fù)合開關(guān)變換器件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變換器，其特征在于，轉(zhuǎn)換電路(3)根據(jù)輸出低壓直流功率要求，而采用不同的結(jié)構(gòu)，200W以下采用單復(fù)合變換形式；200W以上可采用半橋式或全橋式變換電路。
專利摘要本實用新型為高可靠性高壓快速關(guān)斷直流變換器；是由直流高壓濾波器(1)、過壓保護(2)、變換電路(3)、激勵器(4)、脈寬調(diào)制器(5)、直流低壓輸出(6)、電壓取樣(7)、電流保護電路(8)、初始啟動電路(9)所構(gòu)成。在變換電路中采用高速VMOS管串接在主開關(guān)管的發(fā)射極開路關(guān)斷方式，提高了主開關(guān)管的關(guān)斷速度。因用脈寬調(diào)制進行變換，增加了主開關(guān)管的耐二次擊穿的能力。提高整機的可靠性，且MTBF值提高3倍以上，超過1000小時。
文檔編號H02M3/24GK2094827SQ90208298
公開日1992年1月29日 申請日期1990年6月5日 優(yōu)先權(quán)日1990年6月5日
發(fā)明者肖佳林, 黃斌 申請人:萍鄉(xiāng)市無線電廠