[实用新型]高可靠性高压快速关断直流变换器

说明书

本发明属于电动机车上将直流高压（400－800伏）变换成直流低压的装置。

当前大中型矿山上均使用550伏直流架空供电方式，由于电压高、波动大，一般在300－700伏之间波动。瞬时达800伏以上，而机车装配上所需直流低压（如照明、喇叭、载波电话等设备的电源）。必须从直流高压变换为稳定的直流低压。以前采用电压降方式和调频可控硅变换办法得到低压。但前者效率仅在5％左右。电能浪费大，后者变换范围小，适用性也小，带载能力差，波动大，且易失控，当瞬时值大于600伏就无法工作，效率在60％以下。

近年来推出一种开关式脉冲调宽调制变换方式，变换率可到80％以上，电压适用范围扩大，可在380－780伏波动内应用，带载能力强，输出电压稳定。此变换形式已由江西省赣东北无线电厂生产的DYZ－01型机上应用。但是其MTBF值（平均失效间隔时间）小于300小时。这对推广应用是个影响。若能将MTBF值进一步提高，整机的可靠性增强，推广应用就会扩大。

经实际应用调查研究，此变换技术其MTBF值小的原因，主要由于高压开关变换管不能耐二次击穿所造成。目前脉宽调制变换技术中，高压开关管采用的是双极型晶体管为变换器件，在关断方式上，采用基极加反向偏置，如图一所示。其机理是迅速复合基区少数载流子，缩短存贮时间和电流下降时间，其基极反向电压超高，反向电流就越大，关断越迅速，但是由于“压缩效应”关系，电流集中于发射极中心，易形成过热点发生二次击穿，特别是当集电极为感性时，最易发生二次击穿：再是反偏压时，关断时间仍然较长，关断后开关管在较长时间内承受着高压大电流所形成高功耗损，不但耗散大的功率，而对开关管的寿命影响较大：再次是在电感性负载时，工作电压越高关断时间越长，关断前高压开关管的集电极电流越大，电感贮能也越大，电流的衰减时间也会增长：管子长时间工作在危险功率区，二次击穿的机率增加，MTBF值提不高。开关管工作在脉冲调制状态中，其瞬时功率将会达到最大平均功率的几倍到几十倍，变换器的负载为感性时，此种情况也存在，所以瞬时关断时，易发生二次击穿。

本实用新型的目的：为提高开关转换器件的耐二次击穿能力，加速关断速度，提高MTBF值，增加整机的可靠性。

本设计的构思是由双极型晶体管的击穿电压特征是以启示，BVcbo（发射开路时集电极反向电压）大于BVceo（基极开路时集电极反向电压）。显然如果能使发射极开路的方式来关断变换器，管子所承受的耐压能力最强。因此本发明采用发射极的开路方式来关断高压变换开关管。其措施是用一个由VMos管（金属氧化物半导体场效应管）组成关断电路，串接在发射极电路中，如图二所示复合开关变换器即是在主开关管BG1的发射极串BG3、B2、L3、R12、C7、R9所组成开关电路，D10路为泄放二极管。当脉冲来到时，同加在BG1基极和BG3的栅极上，在同一时间内，如t1时，均由高电平突变为低电平。因为BG3（VMos）是高速开关器件，比BG1速度高，所以BG3先关断，达到BG1的发射极开路，从而增加了主开关管BG1的关断速度和耐二次击穿的能力，且集电极上所贮存电流由D10泄放掉了。克服主开关管在关断后所承受高压大电流所形成的高功率影响寿命。

本实用新型实施后，与采用基极反向偏置相比，二次击穿电压由820伏提高到1500伏，关断后速度提高2倍，功耗降低三分之一以上。增强了高压开关管的抗二次击穿能力。其MTBF值可以提高到10000小时以上。整机可靠性大为提高了。

本实用新型在实施应用中，可根据输出功率的要求，采用不同的形式来实现，如功率要求在200瓦以下，电压300伏（输入电压）以下，采用单一复合开关变换器件转换来实现，电压大于300伏，功率在200－－500瓦时，采用半桥式的转换如图五实施例来实现。若功率要求在500－1000以上的，必须采用图三所示的全桥形式的转换方式。

附图说明：

图一：基极加反向偏置变换原理图

图二：用VMos管与高压开关管组成复合开关变换器件原理图

图三：用复合开关变换器件组成全桥变换的原理图

图四：变换器的方框图：其中：（1）直流高压输入滤波器：（2）过压保护：（3）转换电路：（4）激励级：（5）脉宽调制器：（6）直流低压输出：（7）电压取样：（8）电流保护电路：（9）初始启动电路。

图五：200瓦－500瓦半桥变换器的电原理图。