SE512406C2 - Anordning och förfarande vid spänningsomvandlare - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 primärlindningen, och när transistorn är i sitt frånslagna läge kommer således matningsspänningen att kopplas bort. Ändringen av den magnetiska energin i järn/ferritkärnan när ström leds genonx primärlindningen ger upphov till en inducerad spänning i lindningarna. På grund av att lind- ningarna normalt består av ett antal varv tråd lindade i flera lager, med isolering mellan lagren, kommer oönskade strökapacitanser att uppstå parallellt med lindningarna.

Detta medför att en spänningssvängning uppstår, vilken kan vara besvärande eftersom den momentana spänningen över primär- och sekundärlindningarna kan påverka nästföljande period i det periodiska förloppet. Vid omvandling till högspänning blir detta särskilt besvärande eftersom sekundärlindningen har många varv tråd, vilket ger stora strökapacitanser.

Ett sätt att komma tillrätta med en sådan spänningssväng- ning i en induktor/transformator är att koppla någon form av dämpnät över någon av lindningarna. Vid högspänningsom- vandlare när lindningarna innehåller många varv blir de oönskade strökapacitanserna stora, och för att dämpa de ovan beskrivna svängningarna fordras då att dämpnätet har en låg impedans. Detta medför stora förluster, vilket är en nackdel.

Genom dokumentet US 4616300 är det förut känt en spännings- omvandlare av s.k. "fly-back"-typ, där man för att för- bättra verkningsgraden utnyttjar strökapacitanserna i resonans med transformatorns induktans. Eftersom. denna omvandlare skall kunna synkroniseras med en extern frekvens har man försett transformatorns primärsida med en “switched damper", vars uppgift är att absorbera resonant energi för att underlätta synkroniseringen. Denna skrift beskriver således inte någon anordning eller metod som är inriktad mot problemställningen enligt den föreliggande uppfin- 10 15 20 25 30 35 512 406 3 ningen, nämligen att förhindra svängningar i spännings- regleringen utan att förorsaka de förluster som ett konventionellt dämpnät ger.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Ett ändamål med föreliggande uppfinning är att med så små förluster som möjligt dämpa de svängningar som uppstår på grund av strökapacitanser i en transformatorkrets för spänningsomvandling. Detta uppnås enligt föreliggande uppfinning, genom att anordningen innefattar medel för in- och urkoppling av det energiupptagande elementet till åtminstone en av järn/ferritkärnans lindningar.

Uppfinningen avser i synnerhet en anordning för svängnings- dämpning vid högspänningsomvandlare innefattande en induktans i form transformator med en primärlindning ansluten till en primärsida samt en sekundärlindning ansluten till en sekundärsida, varvid en matningsspänning ansluts till primärlindningen för alstring av en inducerad spänning i lindningarna, samt innefattande ett energiupp- tagande element för dämpning av i lindningarna uppkomna spänningssvängningar, vilken anordning innefattar medel för in- och urkoppling av det energiupptagande elementet till primärlindningen.

Uppfinningen avser också ett förfarande för genomförande av svängningsdämpning av ovan nämnt slag.

FIGURBESKRIVNING Uppfinningen kommer i det följande att beskrivas närmare med hänvisning till de bifogade figurerna, där Figur 1 schematiskt visar ett kretsschema för en hög- spänningsomvandlare enligt den föreliggande uppfinningen, och wm 10 15 20 25 30 35 '-512 406 4 Figur 2 i diagramform visar uppfinningens periodiska funktionssätt.

FÖREDRAGEN UTFöRINGsFoRM I figur 1 visas i schematisk form en högspänningsomvandlare som innefattar en järn/ferritkärna 1 med en primärlindning 2 och en sekundärlindning 3. Högspänningsomvandlaren är vidare försedd med två ingångskontakter 4, 5 till vilka en matningsspänning'Em'kan anslutas, samt två utgångskontakter 6, 7 där en utgångsspänning Em kan uttagas. Sekundärsidan innefattar även en likriktare 8 i form av en första diod, samt en köndensator 9. Vid utgången 6, 7 kan anslutas en last, vilken i figur 1 har indikerats symboliskt med en resistor 10.

På primärsidan finns anordnat ett första omkopplingselement 11, företrädesvis i form av en transistor. Omkopplingsele- mentet 11 är styrbart medelst en pulskrets 12, vilken i sig är förut känd, och vilken är styrbar med avseende på pulsbredd och frekvens. Dessutom finns på primärsidan anordnat en aktiv dämpkrets 13 som kan kopplas över primärlindningen 2. Med begreppet "aktiv" menas här att dämpkretsen 13, vilket kommer att framgå nedan, är styrbar på så vis att den kopplas in mot primärlindningen när den skall dämpa ut oönskade svängningar, samt att den kopplas ur när den inte behövs, eftersom den annars hade förbrukat energi i onödan.

Dämpkretsen 13 innefattar en resistor 14 som är anordnad mellan en anslutning hos primärlindningen 2 och anoden hos en andra diod 15. Katoden hos den andra dioden 15 är kopplad till en första anslutning hos ett andra omkopp- lingselement 16, vilket liksom det första omkopplingsele- mentet 11 företrädesvis utgörs av en transistor. Dämp- kretsen 13 innefattar dessutom en filterkrets bestående av en kondensator 17, en resistor 18 samt en tredje diod 19, 10 15 20 25 30 35 '512 40-6 5 vilken filterkrets är ansluten över en andra och en tredje anslutning hos det andra omkopplingselementet 16, varav den andra anslutningen är en styrelektrod för det andra omkopplingselementet 16.

På järn/ferritkärnan 1 finns en tredje lindning 20, vilken fungerar som en styrlindning som styr funktionen hos det andra omkopplingselementet 16. Den tredje lindningen 20 är ansluten till det andra omkopplingselementet 16 via den tredje dioden 19, kondensatorn 17 och resistorn 18, enligt vad som visas i figur 1.

Det periodiska arbetssättet hos uppfinningen kommer i det följande att beskrivas främst i anslutning till figur 2, där figur 2a visar strömmen i, på primärsidan, figur 2b visar strömmen izpå sekundärsidan samt figur 2c visar den i transformatorn 1 inducerade spänningen.

Under ett första tidsintervall t,kommer det första omkopp- lingselementet 11 att styras till sitt tillslagna, slutande läge med hjälp av pulskretsen 12. Längden hos tidsinter- vallet t,bestäms av pulsbredden hos de från pulskretsen 12 levererade pulserna. Om en viss matningsspänning Em före- ligger på ingångskontakterna 4, 5 kommer en ström i, att flyta genom primärlindningen 2 (se figur 2a). Denna ström il, som ökar linjärt under tidsintervallet t,, medför att ett magnetiskt flöde alstras i järn/ferritkärnan 1, vilket i sin tur leder till att det uppstår en inducerad spänning E (se fig. 2c) i de tre lindningarna 2, 3 och 20.

Under det första tidsintervallet t, gäller vidare att styrlindningen 20 (p.g.a. valet av dess polaritet) styr det andra omkopplingselementet 16 till sitt frânslagna läge.

Detta innebär att den aktiva dämpkretsen 13 inte är inkopplad i kretsen på primärsidan under det första tidsintervallet tv 10 15 20 25 30 35 512 406 6 När det första tidsintervallet t, har förflutit kommer pulskretsen 12 att styra det första omkopplingselementet 11 till sitt frånslagna, öppna läge, vilket medför att strömmen i,upphör att flyta genom primärlindningen 2. Det upplagrade magnetfältet i kärnan 1 tvingar nu en viss ström i, att flyta genom sekundärkretsen. Strömmen i, kommer att minska linjärt enligt vad som visas i fig. 2b.

Under det andra tidsintervallet t, har den i lindningarna 2, 3, 20 inducerade spänningen E omvänd polaritet jämfört med under det första tidsintervallet t,(se fig. 2c). Under det andra tidsintervallet tq kommer spänningen över styr- lindningen 20 nu att styra det andra omkopplingselementet 16 till sitt tillslagna läge. Detta skulle normalt medföra att ström skulle gå genom det andra omkopplingselementet 16 och resistorn 14. Dock kommer den andra dioden 15 att förhindra att ström flyter genom denna krets. Den aktiva dämpkretsen. 13 är alltså inte heller under det andra tidsintervallet t, inkopplad i kretsen på primärsidan.

Under tidsintervallet th alltså när den magnetiska energin har lagrats över till sekundärsidans kondensator 9, upphör den första dioden 8 att leda ström. Primär- och sekundär- lindningarna 2, 3 bildar nu en öppen krets som sluts med induktorns, d.v.s. transformatorns oönskade strökapacitan- ser, vilka symboliskt har indikerats med 21 i figur 1. över lindningarna 2, 3 uppstår en oönskad spänningssvängning (se figur 2c). Denna svängning dämpas enligt uppfinningen på följande vis. Under tidsintervallet ty då polariteten åter vänder över lindningarna 2, 3 och styrlindningen 20, skulle normalt sett dämpkretsen 13 åter "stängas av" och styrlind- ningen 20 skulle nu driva det andra omkopplingselementet 16 till dess frånslagna läge. Den tredje dioden 19 förhindrar dock att spänningen över styrlindningen 20 stänger av omkopplingselementet 16. Samtidigt bibehåller kondensatorn 17 en positiv spänning över det andra omkopplingselementets lO 15 20 25 30 1.512 406 7 16 styrelektrod. Den första halva perioden hos den av strökapacitanserna orsakade spänningssvängningen (se fig. 2c) kommer alltså medföra att en ström går genom primär- lindningen 2 och genom den lastupptagande resistorn 14.

Så länge som kondensatorn 17 håller spänningen till det andra omkopplingselementet 16 kommer det senare att befinna sig i sitt tillslagna läge. Kapacitansen hos kondensatorn 17 och resistansen hos resistorn 18 måste alltså anpassas till det beskrivna periodiska förloppet så att det andra omkopplingselementet 16 hålls i sitt tillslagna läge kortare tid än det tredje tidsintervallet t, varar. Där- efter kommer det första omkopplingselementet 11 att styras till sitt tillslagna läge, varpå det periodiska förloppet åter börjar om.

Den energi som uppstår i lindningarna 2, 3 på grund av strökapacitanser kommer alltså till största delen att upptas av resistorn 14. Resistorn 14 kommer endast att vara inkopplat mot primärlindningen 2 när den behövs, d.v.s. när den avser dämpa de nämnda svängningarna. Förlusterna i resistorn 14 blir, för varje period hos spänningsomvand- laren, lika med energin hos induktorns/transformatorns strökapacitanser. Detta ger en effektiv dämpning av de svängningar som visas i figur 2c. Däremot uppstår inga energiförluster i resistorn 14 under tidsintervallen tloch tz, p.g.a. av att dämpkretsen 13 då inte är inkopplad utan hålls passiv. Resistansen hos resistorn 14 måste givetvis anpassas till den ström som går genom primärlindningen 2, särskilt under det tredje tidsintervallet ty m! WW mlw- u' nwfvr u- 'H1

Claims (8)

10 15 20 25 30 35 512 406 P22l52.l1SE PA 1995-07-06 PATENTKRAV

1. Anordning för svängningsdämpning vid spänningsomvandlare innefattande en induktor bestående av en järn/ferritkärna (1) med en primärlindning (2) samt en sekundärlindning (3), varvid en matningsspänning (Em) ansluts till primärlind- ningen (2) för alstring av en inducerad spänning (E) i lindningarna (2, 3), ett energiupptagande element (14) för dämpning av i lindningarna (2, 3) uppkomna spännings- svängningar samt medel (15, 16, 17, 18, 19, 20) för in- och urkoppling av det energiupptagande elementet (14) till åtminstone en av järn/ferritkärnans (1) lindningar (2, 3), k ä n n e t e c k n a d d ä r a v , att nämnda medel (15, 16, 17, 18, 19, 20) innefattar en tredje lindning (20) anordnad i anslutning till järn/ferritkärnan (1) och vars tillstånd beror av den i lindningarna (1) inducerade spänningen (E).

2. Anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, det energiupptagande elementet (14) är anslutet till ett omkopplingselement (16), vars funktion styrs av den tredje lindningen (20).

3. Anordning enligt något av de föregående patentkraven, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v , att det energiuppta- gande elementet (14) utgörs av en resistor.

4. Förfarande för svängningsdämpning vid högspänningsom- vandlare innefattande en induktor bestående av en järn/- ferritkärna (1) med en primärlindning (2) ansluten till en primärsida samt en sekundärlindning (3) ansluten till en sekundärsida, samt ett energiupptagande element (14) för 10 15 20 25 30 35 512 406 dämpning av i. lindningarna (2, 3) uppkomna spännings- svängningar, varvid en matningsspänning (Em) ansluts till primärlindningen (2) och det energiupptagande elementet (14) ansluts till respektive kopplas bort från åtminstone en av lindningarna (2, 3) med hjälp av en styrkrets (15, 16, 17, 18, 19, 20), k ä n n e t e c k n a t d ä r a v , att tillståndet hos styrkretsen (15, 16, 17, 18, 19, 20) styrs av den i lindningarna (2, 3) inducerade spänningen (E) via en tredje lindning (20) som är anordnad i an- slutning till järn/ferritkärnan (1).

5. Förfarande enligt patentkrav 4, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att matningsspänningen (Eng ansluts till primärlindningen (2) under ett första tidsintervall (tQ varvid en första ström (il) alstras i primärlindningen (2), att matningsspänningen (Em) kopplas bort från primärlind- ningen (2) under ett andra tidsintervall (tz) varvid en andra ström (iz) alstras i sekundärlindningen (3), samt att matningsspänningen (Em) bibehålles bortkopplad från primär- lindningen (3) under ett tredje tidsintervall (t3), var- efter tidsintervallen (tl, t2, t3) periodiskt upprepas, varvid det energiupptagande elementet (14) ansluts till åtminstone en av lindningarna (2, 3) under det tredje tidsintervallet (t,).

6. Förfarande enligt patentkrav 5, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att matningsspänningen (Eüg ansluts till primärlindningen (2) via ett styrbart element (11) vilket styrs till sitt tillslagna läge under det första tidsin- tervallet (ti) och till sitt frânslagna läge under det andra tidsintervallet (tz) och det tredje tidsintervallet (ts)-

7. Förfarande enligt patentkrav 5 eller 6, k ä n n e - t e c k n a t d ä r a v, att ström förhindras att flyta 10 512 406 10 genom det energiupptagande elementet (14) under det andra tidsintervallet (tz) medelst en i i styrkretsen (15, 16, 17, 18, 19) ingående diod (15).

8. Förfarande enligt något av patentkraven 5-7, k ä n n e - t e c k n a t d ä r a v, att under det tredje tidsin- tervallet (t3) upprätthålls spänningen till det energiupp- tagande elementet (l4), så att detta förblir i sitt till- slagna läge, medelst en i styrkretsen (15, 16, 17, 18, 19) ingående kondensator (17) som är inrättad att laddas upp under det andra tidsintervallet (tg) samt en diod (19) som är inrättad att förhindra urladdning av kondensatorn (17).