ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК H02M7/538 

Изобретение относится к источникам вторичного электропитания и может быть использовано для питания различной радиоэлектронной аппаратуры.

Известны преобразователи постоянного напряжения, выполненные по двухтактной схеме, два противоположных плеча которой образованы транзисторами, содержащие трансформатор [1] .

Такие преобразователи не могут работать без специальных схем задающих генераторов, что ограничивает область их применения, а также КПД и усложняет устройство. Кроме того, к недостаткам этих преобразователей относится трудность формирования необходимой траектории переключения (в области безопасной работы) транзисторов при сравнительно высоких питающих напряжениях. Использование для этого специальных схем также усложняет устройство.

Известны также преобразователи постоянного напряжения, выполненные по двухтактной схеме, два противоположных плеча которой образованы транзисторами, и содержащие трансформатор, причем управляющие входы транзисторов являются управляющими входами преобразователя [2] .

Недостатком известных преобразователей является необходимость использования специальных схем задающих генераторов, подключаемых к управляющим входам и обеспечивающих переключение транзисторов, что существенно усложняет устройство.

Наиболее близким к предлагаемому является преобразователь постоянного напряжения, выполненный по двухтактной схеме, два противоположных плеча которой образованы транзисторами, коллектор-базовые переходы которых присоединены друг к другу согласно-последовательно, а эмиттер-базовые переходы через транзисторные ключи, зашунтованные первым и вторым обратными диодами, подсоединены соответственно к второй и третьей обмоткам трансформатора, зашунтированным цепочками из последовательно соединенных диодов, при этом первая обмотка трансформатора включена между точкой соединения транзисторов между собой и цепью выходных выводов, а управляющие входы транзисторных ключей подсоединены к обмоткам управления [3] .

Обмотки управления в таком преобразователе размещаются на дополнительном трансформаторе, входящем в состав специального задающего генератора, наличие которого усложняет данное устройство, повышает его стоимость, ухудшает массогабаритные показатели.

Цель изобретения - упрощение преобразователя постоянного напряжения.

Это достигается тем, что в преобразователе постоянного напряжения, выполненном по двухтактной схеме, два противоположных плеча которой образованы транзисторами, коллектор-базовые переходы которых присоединены друг к другу согласно-последовательно, а эмиттер-базовые переходы через транзисторные ключи, зашунтованные первыми и вторыми обратными диодами, подсоединены соответственно к второй и третьей обмоткам трансформатора, зашунтованным цепочками из последовательно соединенных диодов, при этом первая обмотка трансформатора включена между точкой соединения транзисторов между собой и цепью выходных выводов, а управляющие входы транзисторных ключей подсоединены к обмоткам управления, обмотки управления размещены на сердечнике упомянутого трансформатора, а к одной из обмоток управления подсоединен введенный блок запуска.

В преобразователе постоянного напряжения трансформатор выполнен на двух тороидальных магнитных сердечниках, у которых B_s1Q_c1< В_s2Q_c2, где B_s1, B_s2 и Q_c1, Q_c2 - индукция насыщения и сечение соответственно первого и второго тороидальных магнитных сердечников, при этом на первом из них размещены соответствующие обмотки управления, а первая, вторая и третья обмотки соответственно охватывают одновременно два тороидальных магнитных сердечника.

В преобразователь постоянного напряжения введен источник тока, а трансформатор снабжен дополнительной обмоткой и выполнен на трех тороидальных магнитных сердечниках, у которых B_s1Q_c1 = B_s2Q_c2< <B_s3Q_c3, где B_s1, B_s2, B_s3 и Q_c1, Q_c2, Q_c3 - индукции насыщения и сечение соответственно первого, второго, третьего тороидальных магнитных сердечников, причем половины дополнительной обмотки включены встречно и размещены соответственно на первом и втором тороидальных магнитных сердечниках, при этом обмотки управления охватывают одновременно первый и второй тороидальные магнитные сердечники, а соответствующие первая, вторая и третья обмотки охватывают одновременно первый, второй и третий тороидальные магнитные сердечники, при этом дополнительная обмотка подключена к источнику тока.

На фиг. 1 показан предлагаемый преобразователь; на фиг. 2 - трансформатор.

Преобразователь постоянного напряжения выполнен по двухтактной полумостовой схеме и подключен к цепям 1 и 2 питания, а два противоположных плеча двухтактной схемы образованы транзисторами 3 и 4, коллектор-базовые переходы которых присоединены друг к другу согласно-последовательно и включены между цепями 1 и 2 питания. Преобразователь содержит выходные выводы 5 и 6 для подключения нагрузки R_н и емкостной делитель, образованный конденсаторами 7 и 8, включенными последовательно между цепями 1 и 2 питания. Общая точка конденсаторов 7 и 8 соединена с выходным выводом 5. Первая обмотка 9 трансформатора 10 включена между точкой соединения транзисторов между собой и выходным выводом 6. Эмиттер-базовые переходы транзисторов 3 и 4 подсоединены соответственно к второй 11 и третьей 12 обмоткам трансформатора 10 через транзисторные ключи 13 и 14, зашунтованные первым 15 и вторым 16 обратными диодами. Обмотки 11 и 12 зашунтованы цепочками из последовательно соединенных диодов 17, 18 и 19, 20.

Между цепями 1 и 2 питания последовательно включены обратные диоды 21 и 22, общая точка которых соединена с выходным выводом 6. Управляющие входы транзисторных ключей 13 и 14 подсоединены к обмоткам 23 и 24 управления, которые размещены на сердечнике трансформатора 10. К обмотке 24 управления подсоединен блок 25 запуска на однопереходном транзисторе 26. Дополнительный диод 27 включен между коллектором транзистора 4 и точкой соединения резистора 28 и конденсатора 29 времязадающей цепи блока 25 запуска.

Трансформатор 10 выполнен на двух тороидальных магнитных сердечниках 30 и 31, у которых B_s30Q_c30 < B_s31Q_c31, где B_s30, B_s31 и Q_c30, Q_c31 - индукция насыщения и сечение соответственно сердечника 30 и 31. На сердечнике 30 размещены обмотки 23 и 24, а обмотки 9, 11 и 12 охватывают одновременно два сердечника 30 и 31.

Преобразователь постоянного напряжения может содержать источник 32 тока (на фиг. 1 показан пунктиром), а трансформатор 10 может иметь дополнительную обмотку 33 и выполняться на трех тороидальных магнитных сердечниках 30, 31 и 34 (на фиг. 1 обмотка 33 и сердечник 34 показаны пунктиром), у которых B_s30Q_c30 = = B_s34Q_c34< B_s31Q_c31, где B_s30, B_s34, B_s31 и Q_c34, Q_c31 - индукция насыщения и сечение соответственно сердечника 30, 34 и 31. Половины дополнительной обмотки 33 включены встречно и размещены соответственно на сердечниках 30 и 34. Обмотки 23 и 24 охватывают одновременно два сердечника 30 и 34, а обмотки 9, 11 и 12 - одновременно три сердечника 30, 34 и 31. Кроме того, обмотка 33 подключена к источнику 32 тока.

На фиг. 1 в цепи управляющих входов транзисторных ключей 13 и 14 включены резисторы, обеспечивающие необходимый режим работы. Блок запуска 25 содержит резисторы, обеспечивающие необходимый режим работы, а также стабилитрон, формирующий напряжение питания блока запуска.

Источник 32 тока может представлять собой стабилизатор тока и выполняется на микросхеме, например, серии 142.

Преобразователь работает следующим образом.

При подаче на цепи 1 и 2 питания постоянного напряжения блок 25 запуска на однопереходном транзисторе 26 с времязадающей цепью (резистор 28, конденсатор 29) вырабатывает стартовый импульс, который передается на обмотку 24 трансформатора 10. Стартовый импульс, во-первых, открывает транзисторный ключ 14, а также наводит напряжение на других обмотках трансформатора 10. При этом на обмотке 12 наводится напряжение таким образом, что обеспечивает открывание транзистора 4 через приоткрытый транзисторный ключ 14. Через транзистор 4 начинает протекать ток от заряженного конденсатора 8 через нагрузку R_н, обмотку 9 трансформатора 10. Протекающий ток вызывает действие двойной положительной обратной связи, при которой протекающий ток, во-первых, обеспечивает насыщение и поддержание в этом состоянии транзистора 4, во-вторых, этот же ток обеспечивает режим насыщения транзисторного ключа 14. При этом транзистор 4 включен по схеме с общей базой, коэффициент передачи обмоток 9 и 12 близок к единице. В течение этого квазиустойчивого режима на нагрузке формируется вершина прямоугольного напряжения. Далее происходит насыщение сердечника 30, на котором размещены обмотки 23 и 24 трансформатора 10, так как B_s30Q_c30 < B_s31Q_c31, что обеспечивает первоначальное насыщение сердечника 30, а затем сердечника 31 при одинаковом напряжении на обмотке 9, охватывающей оба эти сердечника. Насыщение сердечника 30 приводит к уменьшению, а затем и спаду до нуля напряжения на обмотках 23 и 24 и, следовательно, запиранию транзисторного ключа 14. При этом для транзистора 4 обеспечивается режим "Обрыва" по эмиттеру и рассасыванию неосновных носителей происходит по цепи коллектор-база, минуя обмотку 12 и транзисторный ключ 14. Сердечник 31 продолжает работать в линейном режиме, что обеспечивает действие первого контура положительной обратной связи, при которой ток, протекающий через обмотку 9, трансформируется в обмотку 11 и протекает через цепочку диодов 17 и 18, падение напряжения на которых, поступающее через диод 15, является запирающим для транзистора 3, т. е. в течение времени рассасывания транзистора 4 транзистор 3 остается закрытым. По окончании рассасывания транзистора 4 происходит резкий спад тока через него, что вызывает изменение полярностей напряжений на обмотках трансформатора 10. Это вызывает начало блокинг-процесса, при котором открывается транзисторный ключ 13, а затем транзистор 3. Начинает формироваться вершина второго полупериода прямоугольного напряжения. Время перехода из одного квазиустойчивого состояния в другое предельно мало, так как транзистор 3 (4) включен по схеме с общей базой как в квазистатическом, так и динамическом режимах. Процессы, происходящие во втором полупериоде, аналогичны описанным, элементы 7, 16, 19 и 20 работают также, как соответствующие элементы 8, 15, 17 и 18. Диоды 21 и 22 выполняют роль рекуперирующих диодов. Частота преобразователя определяется сечением и индукцией насыщения сердечника 30.

Посредством изменения величины выходного тока источника 32 тока, подключенного к обмотке 33 трансформатора 10, обеспечивается намагничивание сердечников 30 и 34 и соответственно регулирование частоты преобразования. Полуобмотки обмотки 33 размещены на сердечниках 30 и 34 и включены встречно. При этом каждый из сердечников 30 и 34 работает по циклам попеременно - один сердечник, например 30, намагничивается в положительном направлении и обеспечивает работу по частному циклу от В_р до +В_s. Изменением постоянного подмагничивания изменяется величина В_р и приближается к B_s. В другой полупериод сердечник 34 намагничивается в отрицательном направлении от -В_р до -В_s. Изменением постоянного подмагничивания изменяется величина -В_р и приближается к -В_s. Такое изменение магнитных характеристик эквивалентно наличию одного сердечника с изменением величины В_s в меньшую сторону до 0, что и обеспечивает изменение частоты преобразования от минимального значения при отсутствии тока от источника 32 тока до максимального, определяемого предельным током источника 32 тока. Процесс начала блокинг-процесса эквивалентен ранее приведенному с той лишь разницей, что точка перехода к насыщению (резкому увеличению намагничивания) изменяется. Таким образом, преобразователь постоянного напряжения имеет частотно-зависимый элемент - трансформатор 10 тока, при этом, так как трансформатор 10 имеет как минимум два сердечника, режим переключения эквивалентен режиму переключения автогенератора Иенсена с уменьшенными динамическими потерями.

По отношению к транзисторам 3 и 4 реализована схема с трансформатором тока, а по отношению к транзисторным ключам 13 и 14 обеспечено потенциальное управление. При одинаковых габаритных размерах сердечников 30 и 31 выбор частоты преобразования обеспечивается либо материалом сердечника 30 (выбором соответствующей индукции насыщения), либо его сечением (при заданных габаритах по внешнему и внутреннему диаметру это достигается выбором необходимой высоты сердечника).

Блок 25 запуска обеспечивает начальный запуск преобразователя (при его включении) и в дальнейшей работе не участвует. После запуска преобразователя транзистор 4 через диод 27 шунтирует конденсатор 29 времязадающей цепи, исключая поступление импульсов с выхода блока 25 запуска на обмотку 24 трансформатора 10.

В предлагаемом преобразователе в квазистатическом и динамическом режимах транзисторы 3 и 4 включены по схеме с общей базой, что повышает их быстродействие и надежность в динамических режимах (в режиме переключения). Кроме того, реализуется режим эмиттерной коммутации и пропорционально токового управления транзисторами 3 и 4, что позволяет снизить потери мощности и повысить надежность преобразователя, причем обеспечивается надежная работа транзисторов без установки дополнительных элементов и цепочек для формирования безопасной траектории их переключения. Преобразователь работает в автоколебательном режиме и не требует использования дополнительных трансформаторов и специального задающего генератора. Все это упрощает преобразователь постоянного напряжения. (56) Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Справочник/ под ред. Г. С. Найвельта. М. : Радио и связь, 1985, с. 361, рис. 9.10, в, г.

2. То же, с. 406, рис. 10.4.

3. Авторское свидетельство СССР N 1821883, кл. Н 02 М 7/538, 1990.

Использование: в источниках вторичного электропитания. В преобразователе достигается упрощение схемы за счет возможности перехода ее на работу в автоколебательном режиме. В преобразователе реализуется автоколебательный режим работы, а также эмиттерная коммутация и пропорционально-токовое управление транзисторами, работающими по схеме с общей базой. Управляющие входы транзисторов зашунтированы транзисторными ключами, управляемыми обмотками трансформатора. В схему включены источник тока, присоединенный к дополнительной обмотке трансформатора, и блок 25 запуска. 2 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, выполненный по двухтактной схеме, два противоположных плеча которой образованы транзисторами, коллектор-базовые переходы которых присоединены друг к другу согласно последовательно, а эмиттер-базовые переходы через транзисторные ключи, зашунтированные первым и вторым обратными диодами, подсоединены соответственно к второй и третьей обмоткам трансформатора, зашунтированным цепочками из последовательно соединенных диодов, при этом первая обмотка трансформатора включена между точкой соединения транзисторов между собой и цепью выходных выводов, а управляющие входы транзисторных ключей подсоединены к обмоткам управления, отличающийся тем, что, с целью упрощения, обмотки управления размещены на сердечнике трансформатора, а к одной из обмоток управления подсоединен введенный блок запуска. 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что трансформатор выполнен на двух тороидальных магнитных сердечниках, у которых B_s1Q_c1<B_s2Q_c2, где B_s1 , B_s2 и Q_c1 , Q_c2 - индукция насыщения и сечение соответственно первого и второго тороидальных магнитных сердечника, при этом на первом из них размещены соответствующие обмотки управления, а первая, вторая и третья обмотки соответственно охватывают одновременно два тороидальных магнитных сердечника. 3. Преобразователь по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что в него введен источник тока, а трансформатор снабжен дополнительной обмоткой и выполнен на трех тороидальных магнитных сердечниках, у которых B_s1Q_c1<B_s2Q_c2<B_s3Q_c3, где B_s1 , B_s2 , B_s3 и Q_c1 , Q_c2 , Q_c3 - соответственно индукция и сечение третьего тороидального магнитного сердечника, причем половины дополнительной обмотки включены встречно и размещены соответственно на первом и втором тороидальных магнитных сердечниках, при этом обмотки управления охватывают одновременно первый и второй тороидальные магнитные сердечники, а соответствующие первая, вторая и третья обмотки охватывают одновременно первый, второй и третий тороидальные магнитные сердечники, при этом дополнительная обмотка подключена к источнику тока.