1. Переключающее устройство для управляемого параллельного подключения первого аккумулирующего энергию электролитического конденсатора С1 ко второму аккумулирующему энергию электролитическому конденсатору С2 в ответ на сигнал переключения, подаваемый на управляющий вход VS, причем первый электролитический конденсатор С1 имеет емкость по меньшей мере 100 мкФ, а второй электролитический конденсатор имеет емкость аналогичного порядка, содержащее электронный переключатель, образованный главной цепью полупроводникового устройства, выполненного в виде полевого транзистора FT с электродом затвора, подключенным к управляющему входу VS через первый резистивно-емкостной элемент RC задержки повышения тока, причем резистор R указанного первого элемента задержки включен между управляющим входом VS и указанным электродом затвора, а емкость С3 указанного первого элемента задержки образована, по меньшей мере, входной емкостью полевого транзистора FT и неизбежными распределенными емкостями, при этом к главной цепи полевого транзистора FT дополнительно подключен индуктивный элемент L, который образует второй элемент задержки повышения тока, причем указанный индуктивный элемент L выполнен в виде проводника 10, окруженного высокочастотным ферритовым сердечником 11, 12, и имеет низкое активное сопротивление.

2. Переключающее устройство по п.1, отличающееся тем, что ферритовый сердечник 11, 12 снабжен двумя проточками, которые расположены на заданном расстоянии друг от друга и имеют параллельные оси, причем проводник 10 содержит две ветви, проходящие через проточки.

3. Переключающее устройство по п.2, отличающееся тем, что содержит ряд коротких ферритовых сердечников 11, расположенных друг над другом.

4. Переключающее устройство по п.1, отличающееся тем, что емкость подключаемых электролитических конденсаторов составляет порядка 10000 мкФ.

 

(57) Реферат / Формула:
Переключающее устройство для управляемого параллельного подключения первого аккумулирующего энергию электролитического конденсатора С1 ко второму аккумулирующему энергию электролитическому конденсатору С2 в ответ на сигнал переключения, подаваемый на управляющий вход VS, причем первый электролитический конденсатор С1 имеет емкость по меньшей мере 100 мкФ, а второй электролитический конденсатор имеет емкость аналогичного порядка, содержащее электронный переключатель, образованный главной цепью полупроводникового устройства, выполненного в виде полевого транзистора FT с электродом затвора, подключенным к управляющему входу VS через первый резистивно-емкостной элемент RC задержки повышения тока, причем резистор R указанного первого элемента задержки включен между управляющим входом VS и указанным электродом затвора, а емкость С3 указанного первого элемента задержки образована, по меньшей мере, входной емкостью полевого транзистора FT и неизбежными распределенными емкостями, при этом к главной цепи полевого транзистора FT дополнительно подключен индуктивный элемент L, который образует второй элемент задержки повышения тока, причем указанный индуктивный элемент L выполнен в виде проводника 10, окруженного высокочастотным ферритовым сердечником 11, 12, и имеет низкое активное сопротивление.

2. Переключающее устройство по п.1, отличающееся тем, что ферритовый сердечник 11, 12 снабжен двумя проточками, которые расположены на заданном расстоянии друг от друга и имеют параллельные оси, причем проводник 10 содержит две ветви, проходящие через проточки.

3. Переключающее устройство по п.2, отличающееся тем, что содержит ряд коротких ферритовых сердечников 11, расположенных друг над другом.

4. Переключающее устройство по п.1, отличающееся тем, что емкость подключаемых электролитических конденсаторов составляет порядка 10000 мкФ.

 

---

009796
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к переключающему устройству для управляемого параллельного подключения электролитического конденсатора емкостью по меньшей мере 500 мкФ к другому аккумулирующему энергию электролитическому конденсатору. Устройство содержит электронный переключатель, образованный полупроводниковым устройством и элементом задержки, причем полупроводниковое устройство имеет управляющий вход, который через резистивно-емкостный элемент задержки соединен с управляющим входом, подающим сигнал переключения. Переключающее устройство имеет заданное время задержки переключения.
Предшествующий уровень техники
При внезапном разряде или зарядке заряженных конденсаторов в течение определенного периода времени создаются очень большие токи, которые могут повреждать как конденсатор, так и переключающее устройство, которое вызывает переходный процесс.
В опубликованной патентной заявке Венгрии № P 9902383 раскрыта цепь зарядки аккумулятора, содержащая конденсатор. Переключатель повышает емкость конденсатора путем параллельного подключения к нему другого конденсатора. Как показано на фиг. 4 упомянутой патентной заявки, в переключающую цепь встроен последовательный индуктивно-емкостный элемент.
Подлежащий зарядке конденсатор обычно имеет емкость 100-10000 мкФ, а в оптимальном варианте - 500-10000 мкФ. Наиболее распространенным полупроводниковым переключающим устройством является полевой транзистор типа MOSFET (канальный полевой униполярный МОП-транзистор), который имеет очень малое внутреннее сопротивление в открытом состоянии и может быть легко открыт и закрыт при очень высоком входном импедансе.
Характеристики переключения полевых транзисторов, предназначенных для переключения больших токов, непрерывно улучшаются, однако для каждого типа транзистора токи выше определенной величины подвергают опасности его работоспособность. В одном из примеров максимально допустимая сила тока составляет 180 А. При использовании полевых транзисторов в качестве переключающих устройств тепло, рассеиваемое на полупроводниковом устройстве в течение переходного коммутационного процесса, также способствует образованию потенциального барьера. В открытом состоянии остаточное напряжение полевого транзистора очень низко и обычно составляет 50 мВ, поэтому потери мощности в таком транзисторе очень малы даже при высоких токах. Однако в течение переходного коммутационного процесса весьма значителен риск того, что полевой транзистор подвергнется нагрузкам выше допустимых предельных величин.
Таким образом, при переброске больших энергий необходимо учитывать нагрузки, которые допустимы для самого переключающего устройства, а также максимальные допустимые нагрузки для переключающей цепи. Нагрузка переключающей цепи может быть снижена задержкой переходного процесса. В то же время для данных случаев использования целью является обеспечение того, чтобы само переключение влияло на переходные процессы в соединительной цепи только в той мере, в которой это абсолютно необходимо, т. е. предотвращало превышение предельных величин, определенных для компонентов системы.
Для обеспечения задержки в главных цепях обычно используются индуктивные элементы. Проблема, связанная с использованием индуктивного элемента, состоит в том, что индуктивность, необходимая для задержки времени, может быть получена только с помощью активного сопротивления определенной величины, а присутствие активного сопротивления в основной цепи вызывает непрерывные потери и оказывает неблагоприятное воздействие на процессы, не являющиеся более переходными.
В примерах, раскрытых в упомянутой венгерской патентной заявке, созданы граничные условия, в которых задержка, необходимая для переходного процесса, продолжительнее того периода, который могут выдерживать обычные электронные полупроводниковые устройства в аспекте теплового напряжения, создаваемого переходным коммутационным процессом при токах в диапазоне 100-200 А. В то же время такая задержка достаточно коротка, чтобы сделать непригодными для использования обычные индуктивные элементы задержки, поскольку при достижении требуемой величины индуктивности включается активное сопротивление.
Вследствие описанных противоречащих друг другу требований, т. е. в тех случаях, когда с одним электролитическим конденсатором высокой емкости, содержащим большой заряд, должен быть параллельно соединен другой электролитический конденсатор высокой емкости, который не заряжен, и при этом существует требование минимального влияния на развивающийся переходный процесс, такая задача может быть решена только путем размыкания и замыкания контактов. Однако решения с использованием механических контактов невыгодны в отношении их стоимости, быстродействия, удобства управления и низкого уровня надежности по сравнению с использованием удобных, быстродействующих и надежных электронных устройств.
Сущность изобретения
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании переключающего устройства для электролитического конденсатора, имеющего емкость по меньшей мере 500 мкФ, которое используется для управляемого параллельного подключения другого аккумулирующе
- 1 -
009796
го энергию электролитического конденсатора. В указанном устройстве переключающий элемент образован полупроводниковым устройством. Переключающее устройство способно защитить как полупроводниковое устройство, так и подключенные электролитические конденсаторы от разрушительного воздействия бросков тока, возникающих в переходных процессах при переключении. В то же время переключающее устройство оказывает влияние на переключение только в той мере, которая необходима для обеспечения указанной защиты.
Для достижения этой цели было осознано, что защита от переходных явлений при переключении может быть обеспечена раздельным образом. Так, одна часть требуемой задержки обеспечивается рези-стивно-емкостным элементом RC, образованным на электроде затвора полевого транзистора и использующим только собственную входную емкость электрода затвора. Продолжительность первой задержки определяется на основе величины предельной нагрузки полевого транзистора. Необходимая дополнительная задержка обеспечивается индуктивным элементом, проходящим через проточку ферритового сердечника. Индуктивный элемент имеет очень низкое активное сопротивление и единственный виток или максимум несколько витков. Индуктивный элемент подсоединен последовательно к главной цепи полупроводникового устройства.
Таким образом, согласно изобретению предложено переключающее устройство для управляемого параллельного подключения одного электролитического конденсатора емкостью по меньшей мере 500 мкФ к другому аккумулирующему энергию электролитическому конденсатору. Переключающее устройство содержит электронный переключатель, образованный полупроводниковым устройством, и элемент задержки. Полупроводниковое устройство имеет управляющий вход, который через элемент RC задержки резистивно-емкостного типа соединен с управляющим входом, подающим сигнал переключения. Переключающее устройство имеет задержку переключения предварительно заданной продолжительности. Согласно изобретению полупроводниковое устройство является полевым транзистором, главная цепь которого соединена с подлежащим подключению конденсатором через индуктивный элемент, который обеспечивает вторую задержку. Индуктивный элемент представляет собой проводник заданной длины, окруженный высокочастотным ферритовым сердечником. Далее, задержка, создаваемая рези-стивно-емкостным элементом RC, обеспечивает только часть определенной задержки переключения, при которой нагрузка остается в границах допустимой предельной нагрузки полевого транзистора. Остальная задержка обеспечивается индуктивным элементом.
За счет разделения и специальной конфигурации индуктивного элемента в соответствии с изобретением в качестве оптимального компромисса между конфликтующими требованиями может быть достигнуто решение, удовлетворяющее всем условиям. В соответствии с решением по изобретению тепловая нагрузка, воздействующая на полевой транзистор, удерживается в пределах допустимого диапазона в переходном процессе при переключении. Кроме того, пиковая величина тока на электролитических конденсаторах не превышает уровня, за которым ток мог бы вызвать их повреждение. В то же время переключение и требуемая задержка вызывают только минимальные активные потери в главной цепи, так что ее работа практически не подвергается влиянию от присутствия цепей, необходимых для осуществления переключения.
Согласно предпочтительному примеру выполнения ферритовый сердечник содержит две проточки, которые имеют параллельные оси и расположены на заданном расстоянии друг от друга. Далее, проводник имеет две ветви, проходящие через соответствующие проточки.
Согласно эффективному конструктивному примеру выполнения ферритовый сердечник состоит из множества коротких ферритовых сердечников, расположенных друг над другом. Однако ферритовый сердечник может состоять из одной длинной узкой детали.
В дальнейшем предпочтительном примере выполнения емкостный компонент резистивно-емкостного элемента RC образован входной емкостью полевого транзистора и неизбежными распределенными емкостями.
Емкость электролитических конденсаторов обычно составляет порядка 10000 мкФ.
Переключающее устройство по изобретению позволяет решить поставленную задачу с использованием быстродействующего, недорогого и надежного полевого транзистора в качестве переключателя и за счет этого обойтись без механических контактов.
Перечень фигур чертежей
Далее со ссылками на прилагаемые чертежи будут подробно описаны примеры осуществления изобретения. На чертежах:
фиг. 1 изображает схему переключающего устройства по изобретению, демонстрируя принцип его действия;
фиг. 2 схематично изображает индуктивный элемент в первом примере выполнения; фиг. 3 изображает в перспективе ферритовый сердечник в первом примере выполнения; фиг. 4 схематично изображает индуктивный элемент во втором примере выполнения; фиг. 5 изображает в перспективе ферритовый сердечник во втором примере выполнения.
- 2 -
009796
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Основная задача переключающего устройства, показанного на фиг. 1, заключается в параллельном подключении или отсоединении друг от друга электролитического конденсатора С1 высокой емкости, имеющего емкость по меньшей мере 100 мкФ, но в целесообразных случаях намного большую емкость, например, в диапазоне 500-10000 мкФ, и электролитического конденсатора С2 также высокой емкости. Конденсаторы С1 и С2 могут быть включены в соответствии со схемой, показанной на фиг. 4 ранее упомянутой венгерской патентной заявки, в цепь зарядки не показанного аккумулятора. Одна из обкладок каждого конденсатора С1 и С2 соединена с обкладкой другого конденсатора и имеет потенциал переменной величины относительно земли, в данном примере имеется значительный положительный потенциал. В линии между другой (в данном случае отрицательной) обкладкой и землей расположен переключатель с электронным управлением, переключающий элемент которого образован полевым транзистором FT. Индуктивный элемент L, рассчитанный на высокий ток, включен последовательно указанной линии между электродом S истока и электродом D стока полевого транзистора FT. Конструкция индуктивного элемента L является решающей, поскольку его сопротивление постоянному току должно быть минимальным. В ином случае ток, который генерируется во время зарядки или разряда и который может достигать силы несколько сотен ампер, вызывал бы значительные потери. Между электродом G затвора полевого транзистора FT и землей присутствует виртуальная емкость, которая определяется внутренней емкостью устройства и распределенными емкостями. На фиг. 1 виртуальная емкость обозначена пунктирными линиями в виде виртуального конденсатора С3, емкость которого обычно составляет 50-100 мкФ. Электрод G затвора соединен с сопротивлением R, другой конец которого образует управляющий вход VS переключающего устройства.
На фиг. 2-5 показаны различные конструкции индуктивного элемента L. Индуктивный элемент L содержит U-образный проводник 10 с двумя ветвями, образованный, например, медной или осеребренной медной проволокой, и ферритовый сердечник 11 или 12 (соответственно, фиг. 3 и 5), снабженный двумя проточками, которые имеют параллельные оси и расположены на определенном расстоянии друг от друга. Расстояние между ветвями проводника 10 соответствует расстоянию между осями проточек. В примере выполнения по фиг. 2 длина проводника 10 соответствует длине нескольких (например, от шести до десяти) коротких ферритовых сердечников 11. Ветви проводника 10 пропущены через проточки коротких ферритовых сердечников 11, которые таким образом образуют пакет на проводнике 10. Смежные ферритовые сердечники 11 в оптимальном варианте прикреплены друг к другу и к проводнику 10 методом приклеивания. Что касается ферритового сердечника 11, он аналогичен конструкциям феррито-вых сердечников, широко используемых в симметричных/асимметричных трансформаторах (симметрирующие трансформаторы) в других областях. Имеющий такую конструкцию индуктивный элемент L обладает очень низким активным сопротивлением и адекватной индуктивностью. В примере выполнения, когда проводник 10 имеет диаметр 1 мм, а его длина позволяет нанизать на него десять ферритовых сердечников 11, измеренная индуктивность составляет 71,1 мкГн при частоте 1 кГц и 70 мкГн при частоте 100 кГц.
Пример выполнения по фиг. 4 и 5 отличается от примера по фиг. 2 и 3 тем, что вместо пакета фер-ритовых сердечников 11 он содержит один длинный ферритовый сердечник 12 специальной формы в соответствии с изобретением.
Длинная узкая конфигурация индуктивного элемента L имеет преимущества в отношении его размещения в используемом устройстве, так как его размер велик только в одном направлении. Таким образом, при вертикальном расположении индуктивного элемента L относительно большой элемент может быть размещен в узком пространстве.
Для пояснения действия переключающего устройства по изобретению допустим, что высокое положительное напряжение, например 40-50 В, измеряется между землей и тем электродом конденсатора С2, который подсоединен к конденсатору С1, и внезапное напряжение в направлении открытия (т. е. положительное относительно земли напряжение) подается на вход VS, который раньше находился под потенциалом заземления. Внезапное напряжение появляется на электроде G уже с незначительной пусковой задержкой, вызванной резистивно-емкостным элементом RC, образованным сопротивлением R и виртуальным конденсатором С3. Сопротивление R в типовом случае составляет около 150 кОм. На основе этих данных задержка за счет элемента RC обычно составляет примерно 0,075-0,15 мкс. Полевой транзистор FT перейдет в открытое состояние с указанной задержкой, в результате чего будет иметь место короткое замыкание между электродом D стока и электродом S истока (кроме остаточного напряжения величиной порядка 50 мВ). Во время переходного процесса на полевом транзисторе FT будут тепловые потери, когда напряжение между электродом D стока и электродом S истока еще не достигло нуля, но ток уже находится на заметном уровне. Задержка, получаемая на стороне входа, все еще слишком мала, чтобы ограничить стартовый ток до величины, которую может выдержать также конденсатор С1. Если увеличить постоянную времени путем увеличения величины сопротивления R либо конденсатора С3, тепловая нагрузка на полевой транзистор FT увеличится, что было бы недопустимо для устройства.
Однако индуктивность индуктивного элемента L обеспечивает дополнительную пусковую задержку, поскольку, вследствие невысокого активного сопротивления устройства, отдает очень мало тепла,
- 3 -
009796
причем для рассеивания этого тепла имеется большая поверхность. Наличие отдельного индуктивного элемента задержки за пределами полевого транзистора снижает количество тепла, поглощаемого полевым транзистором во время переходного процесса, поскольку внутреннее сопротивление устройства имеет минимальную величину при задержке времени входа, и в этот период задержки повышение тока еще ограничено. Два элемента задержки дают суммарный эффект, при котором полевой транзистор также работает в пределах допустимых величин. Кроме того, при зарядке конденсатора С1 максимальный ток не превышает допустимой пиковой величины. Выбранная конфигурация индуктивного элемента L обеспечивает очень низкое активное сопротивление при подходящей величине индуктивности. Однако общая пусковая задержка не больше, чем задержка, необходимая для безопасной работы используемых устройств и элементов, так что форма сигнала тока определяется характеристиками главной цепи, которая включает в себя конденсаторы С1 и С2.
За счет того, что взамен решений, которые связаны с намного большими конструктивными пространствами и большими потерями, может использоваться полевой транзистор FT, переключение может осуществляться в пределах меньших конструктивных размеров, с меньшими затратами и более выгодными электрическими параметрами.
1. Переключающее устройство для управляемого параллельного подключения первого аккумулирующего энергию электролитического конденсатора С1 ко второму аккумулирующему энергию электролитическому конденсатору С2 в ответ на сигнал переключения, подаваемый на управляющий вход VS, причем первый электролитический конденсатор С1 имеет емкость по меньшей мере 100 мкФ, а второй электролитический конденсатор имеет емкость аналогичного порядка, содержащее электронный переключатель, образованный главной цепью полупроводникового устройства, выполненного в виде полевого транзистора FT с электродом затвора, подключенным к управляющему входу VS через первый ре-зистивно-емкостной элемент RC задержки повышения тока, причем резистор R указанного первого элемента задержки включен между управляющим входом VS и указанным электродом затвора, а емкость С3 указанного первого элемента задержки образована, по меньшей мере, входной емкостью полевого транзистора FT и неизбежными распределенными емкостями, при этом к главной цепи полевого транзистора FT дополнительно подключен индуктивный элемент L, который образует второй элемент задержки повышения тока, причем указанный индуктивный элемент L выполнен в виде проводника 10, окруженного высокочастотным ферритовым сердечником 11, 12, и имеет низкое активное сопротивление.
2. Переключающее устройство по п.1, отличающееся тем, что ферритовый сердечник 11, 12 снабжен двумя проточками, которые расположены на заданном расстоянии друг от друга и имеют параллельные оси, причем проводник 10 содержит две ветви, проходящие через проточки.
3. Переключающее устройство по п.2, отличающееся тем, что содержит ряд коротких ферритовых сердечников 11, расположенных друг над другом.
4. Переключающее устройство по п.1, отличающееся тем, что емкость подключаемых электролитических конденсаторов составляет порядка 10000 мкФ.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
.+ G2
Фиг. 1
- 4 -
009796
J(r)
Фиг. 2
Фиг. 3
Фиг. 4
Фиг. 5
Евразийская патентная организация, ЕАПВ Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2/6
- 5 -