ИМПУЛЬСНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК H02M3/335 G05F1/56 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для питания радиоэлектронной аппаратуры и микропроцессорных систем от промышленной электросети, в частности в источниках питания с бестрансформаторным входом.

Импульсный стабилизатор напряжения обычно содержит управляемый ключ, замыкающий диод, LC-фильтр и модулятор. Основными недостатками стабилизатора являются большие коммутационные перегрузки, возникающие при открывании ключа, большие динамические потери при закрывании ключа, низкий КПД, большие габариты и масса фильтра.

В источниках питания с бестрансформаторным входом напряжение сети выпрямляется входным выпрямителем с емкостным фильтром, а затем преобразуется инвертором в высокочастотное напряжение прямоугольной формы, которое трансформируется до требуемого значения, выпрямляется и фильтруется. Для стабилизации выходного напряжения в таких источниках может быть использован стабилизатор с частичной модуляцией [1] .

Он содержит вторичную обмотку трансформатора питающего инвертора, двухполярный выпрямитель, два конденсатора фильтров выпрямителя, управляемый ключ, замыкающий диод, выходной LC-фильтр и модулятор, обеспечивающий обратную связь с выхода стабилизатора вход ключа.

Этот стабилизатор позволяет получить заданную амплитуду пульсаций выходного напряжения при меньших габаритах и массе фильтра, а также несколько уменьшить динамические потери.

Однако недостатками стабилизатора являются большие потери и коммутационные перегрузки, низкий КПД, узкий диапазон допустимых изменений питающего напряжения.

Наиболее близким по технической сущности является импульсный стабилизатор напряжения, содержащий соединенные последовательно источник питания, включающий вторичную обмотку силового трансформатора инвертора и выпрямитель с фильтром, дополнительный дроссель с диодом рекуперации, транзисторный ключ, выходной LC-фильтри с замыкающими диодами, модулятор, обеспечивающий обратную связь с выхода стабилизатора на вход ключа [2] .

Благодаря дополнительному дросселю в данном стабилизаторе отсутствуют коммутационные перегрузки в момент открывания силового транзистора ключа на этапе рассасывания избыточного заряда в замыкающих диодах выходного фильтра. Однако при этом на этапе восстановления обратного сопротивления диодов возникают высокочастотные колебания, которые воздействуют на транзисторы ключа и увеличивают потери в них.

Одним из основных недостатков стабилизатора является то, что, вследствие периодического импульсного потребления тока, он вносит асимметрию в работу инвертора в смежных полупериодах, которая наиболее ярко выражена при малой емкости фильтра выпрямителя и близости частот инвертора и стабилизатора. Причем последняя имеет неопределенное значение, поскольку модулятор стабилизатора работает в релейном режиме. При большой емкости фильтра, из-за технологических разбросов параметров диодов, выпрямитель работает в режиме однополупериодного выпрямления, что также приводит к асимметрии в работе инвертора.

Результатом асимметрии является перегрев и выход из строя транзисторов инвертора, а следовательно и отказ стабилизатора, т. е. низкая функциональная надежность.

Кроме того, при выпрямлении выходного напряжения инвертора прямоугольной формы, в моменты переключения транзисторов и смены полярностей напряжений обмоток трансформатора инвертора, все диоды выпрямителя оказываются одновременно открытыми. Режим короткого замыкания на выходе инвертора, длительность которого определяется временами рассасывания избыточного заряда и восстановления обратного сопротивления диодов выпрямителя, обуславливает коммутационные перегрузки как самих диодов, так и транзисторов инвертора, и следовательно, ухудшение КПД и снижение надежности стабилизатора.

К недостаткам стабилизатора еще следует отнести низкий КПД, обусловленный большими статическими и динамическими (при закрывании) потерями в ключе, а также большие габариты и массу выходного LC-фильтра и потери в нем.

Мощность статических потерь в ключе можно приближенно определить как произведение коэффициента заполнения, тока нагрузки и напряжения насыщения коллектор-эмиттер силового транзистора ключа. Последнее, например для транзистора КТ825, с увеличением тока коллектора растет вначале линейно, а затем в квадратной и большей степени. Поэтому при работе силового транзистора ключа на токах близких к предельно допустимым мощность статических потерь максимальна, что и имеет место в данной схеме.

Процесс закрывания силового транзистора ключа имеет два этапа: нарастания напряжения на коллекторе при максимальном токе дросселя фильтра, заканчивающийся при открывании замыкающих диодов, и спада коллекторного тока. Длительность процесса закрывания уменьшается с ростом запирающего тока базы. Однако в данной схеме имеет место пассивное запирание транзисторов ключа за счет запирающего тока базы через резистор, шунтирующий эмиттерный переход, при этом длительность процесса закрывания и динамические потери максимальны.

Параллельное включение замыкающих диодов приводит к перегрузке части из них и, следовательно, к снижению надежности.

Цель изобретения - повышение функциональной надежности, КПД, уменьшение габаритов и массы.

Поставленная цель достигается тем, что в импульсный стабилизатор напряжения, содержащий соединенные последовательно источник питания, включающий вторичную обмотку силового трансформатора инвертора и выпрямитель, транзисторный ключ, выходной LC-фильтр и модулятор, дополнительно введены формирователь синхроимпульсов, источник тока, резонансный LC-контур и дополнительный источник питания. При этом основной источник питания состоит из 2n обмоток и 2n выпрямительных диодов, соединенных в n двухполупериодные схемы выпрямления. Дополнительный источник питания содержит m двухполупериодные схемы выпрямления и подключен ко входу выходного LC-фильтра. Транзисторный ключ выполнен на транзисторах одинаковой структуры и содержит управляющий транзистор и n силовых транзисторов, эмиттеры которых подключены соответственно к n двухполупериодным схемам выпрямления основного источника питания. Коллекторы силовых транзисторов объединены и через резонансный LC-контур подключены ко входу выходного LC-фильтра. Базы силовых транзисторов ключа также объединены, шунтированы управляющим транзистором и через источник тока подключены к выходу стабилизатора.

Проведенный анализ существенных признаков предложенного технического решения по источникам научно-технической и патентной информации (см. прилагаемую справку) показал, что данное предложение соответствует критерию "существенные отличия".

На чертеже представлена принципиальная схема импульсного стабилизатора напряжения.

Стабилизатор содержит основной источник питания 1, который состоит из 2n обмоток и 2n выпрямительных диодов, соединенных в n двухполупериодные схемы выпрямления U_b1. . . U_bn со средним выводом вторичной обмотки, подключенным к общей шине. Транзисторный ключ 2, содержащий управляющий транзистор Т_с и n силовых транзисторов Т₁. . . Т_n, эмиттеры которых независимо подключены к n схемам выпрямления основного источника питания 1. Коллекторы силовых транзисторов объединены, шунтированы диодом рекуперации D_r и через резонансный контур 3, выполненный на дросселе L_p с многожильной обмоткой и конденсаторе С_p, подключены ко входу выходного фильтра 4, на дросселе L_f с многожильной обмоткой и конденсаторе C_f большой емкости. Ко входу выходного фильтра 4 также подключен дополнительный источник питания 5, который состоит из 2m обмоток и 2m выпрямительных диодов, соединенных в m двухполупериодные схемы выпрямления U_a1. . . U_am со средним выводом вторичной обмотки, подключенным к общей шине. Базы силовых транзисторов Т₁. . . Т_n ключа 2 также объединены, шунтированы управляющим транзистором Тс и через источник тока 6 подключены к выходу стабилизатора. База управляющего транзистора Т_с ключа 2 шунтирована резистором и подключена к выходу одновибратора DD (таймер 1006ВИ1) модулятора 7 через токоограничивающий резистор, шунтированный дифференцирующей RC-цепью.

Формирователь синхроимпульсов 8 содержит диодный мост, диагональ переменного тока которого через две дифференцирующие RC-цепи подключена к противофазным выводам обмоток основного источника питания, положительный вывод моста подключен к шине питания модулятора, отрицательный вывод моста подключен на вход запуска (вывод 2) одновибратора DD. Источник питания модулятора включает конденсатор Cu и выпрямитель на диодах 9, подключенный к противофазным выводам обмоток основного источника питания.

Рассмотрим работу стабилизатора в установившемся режиме непрерывного тока дросселя L_f выходного фильтра 4. Пусть в исходном состоянии управляющий транзистор Т_с ключа 2 открыт, а силовые транзисторы Т₁. . . T_n закрыты. Ток дросселя L_p резонансного контура равен нулю, напряжение U_с на конденсаторе C_p контура равно напряжению U_a дополнительного источника 5. Напряжение на дросселе L_f равно разности выходного напряжения U_o стабилизатора и напряжения U_a источника 5, а ток дросселя U_f замыкается через источник 5 и линейно спадает со скоростью (U_o-U_a)/L_f.

Заметим, что в прототипе на этой стадии к дросселю фильтра прикладывается напряжение большее выходного. Поэтому он и имеет большие габариты и массу выходного фильтра.

В моменты переключения транзисторов инвертора и смены полярностей напряжений обмоток трансформатора, формирователь синхроимпульсов 8 подает короткий импульс отрицательной полярности на вход запуска одновибратора DD. На выводе 3 одновибратора появляется импульс положительной полярности, длительность которого определяется значениями резистора R_t, конденсатора C_t и напряжения на выводе 5, которое управляется усилителем ошибки DA (операционный усилитель 140УД12). По началу импульса ускоренно закрывается транзистор Т_с ключа 2, в результате чего источник тока 6 подключается к базам силовых транзисторов ключа Т₁. . . Т_n. Транзисторы открываются и подключают дроссель L_p резонансного контура 3 к источнику 1. К дросселю L_p прикладывается разность напряжений источников (U_b-U_a), и ток дросселя L_p начинает линейно нарастать со скоростью (U_b-U_a)/L_p.

Нарастающий ток дросселя L_p уменьшает ток, потребляемый дросселем L_f от источника 5. При равенстве токов дросселей диоды источника 5 плавно закрываются, и начинается резонансный заряд конденсатора С_р разностью токов дросселей.

В момент, когда напряжение U_c на конденсаторе станет равно U_c= U_o, ток дросселя L_f достигает минимального значения и затем плавно нарастает со скоростью (U_c-U_o)/L_f. В момент, когда U_c= U_b, ток дросселя L_p достигает максимального значения и затем плавно спадает со скоростью (U_c-U_b)/L_p. Напряжение U_c на конденсаторе C_p увеличивается до тех пор, пока ток дросселя L_p превышает ток дросселя L_f, после чего начинается резонансный разряд конденсатора С_p разностью токов дросселей.

По окончании импульса одновибратора DD модулятора 7 транзистор Т_с фиксированно открывается и активно запирает силовые транзисторы Т₁. . . Т_n. При этом ток дросселя L_p замыкается через открывшийся диод рекуперации D_r и быстро спадает до нуля.

По мере разряда конденсатора C_p падает скорость нарастания тока дросселя L_f. В момент, когда U_c= U_о, ток дросселя L_f достигает максимального значения и затем плавно спадает со скоростью (U_o-U_c)/L_f, и далее замыкается через источник 5 и линейно спадает со скоростью (U_o-U_a)/L_f c появлением следующего синхроимпульса работа стабилизатора повторяется.

Таким образом, срабатывание ключа стабилизатора происходит в каждом полупериоде инвертора, благодаря чему стабилизатор не вносит асимметрию в работу инвертора в смежных полупериодах.

Кроме того, поскольку времена переключений одновибратора DD, транзистора Т_с и силовых транзисторов Т₁. . . T_n складываются, последние открываются всегда после завершения процесса переключения транзисторов и смены полярностей напряжений обмоток трансформатора инвертора. Поэтому в моменты переключения транзисторов инвертора все диоды источника 1 закрыты и не создают режим короткого замыкания на выходе инвертора.

Включение силовых транзисторов ключа происходит при нулевом токе, следовательно, без коммутационных перегрузок и потерь.

Поскольку к моменту запирания ключа ток дросселя L_p много меньше максимального значения тока дросселя L_f, и благодаря активному запиранию, позволившему уменьшить время запирания, динамические потери в заявляемом стабилизаторе по сравнению с прототипом в 3. . . 5 раз меньше.

Параллельное соединение n силовых транзисторов обеспечило снижение мощности статических потерь за счет уменьшения падения напряжения на ключе и, следовательно, повышение КПД.

Основной источник питания содержит n двухполупериодные схемы выпрямления, чем достигается равномерная загрузка как диодов источника, так и силовых транзисторов ключа.

Введение дополнительного источника питания позволило уменьшить коммутируемую ключом мощность, потери в нем, а также габариты и массу выходного LC-фильтра.

Дополнительный источник питания содержит m двухполупериодные схемы выпрямления, чем достигается равномерная загрузка его диодов, которые при этом выполняют еще роль замыкающих диодов.

Применение для задания тока базы силовых транзисторов ключа источника тока, подключенного к выходу стабилизатора, позволило, во-первых, расширить диапазон допустимых изменений питающего напряжения без глубокого пересыщения силовых транзисторов ключа. Во-вторых, повысить КПД и, в-третьих, уменьшить пульсации выходного напряжения, а также габариты и массу выходного LC-фильтра.

Указанные преимущества предлагаемого технического решения были подтверждены при испытаниях опытного образца в качестве пятивольтового импульсного стабилизатора напряжения в источнике питания с бестрансформаторным входом. (56) 1. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник Г. С. Найвельт и др. Под ред. Г. С. Найвельта. М. , Радио и связь, 1985, с. 341, рис. 8.26г.

2. Микропроцессорные средства и системы. N 3, 1987, с. 74,76, рис. 2.

Использование: питание радиоэлектронной аппаратуры и микропроцессорных систем от промышленной электросети, в частности в источниках питания с бестрансформаторным входом. Сущность изобретения: импульсный стабилизатор напряжения содержит основной источник питания напряжения, включающий вторичную обмотку силового трансформатора инвертора и выпрямитель, транзисторный ключ 2, выходной LC - фильтр 4, модулятор 7, обеспечивающий обратную связь с выхода стабилизатора на вход транзисторного ключа. В стабилизатор введены формирователь синхроимпульсов 9, источник тока 6, резонансный LC - контур 3, что обеспечивает срабатывание ключа 2 в каждом полупериоде инвертора и устраняют асимметрию в работе инвертора. Включение силовых транзисторов ключа происходит при нулевом токе, что уменьшает коммутационные перегрузки и потери. Параллельное соединение n силовых транзисторов обеспечило снижение мощности статических потерь. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. ИМПУЛЬСНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий инвертор, подключенный к входным выводам с силовым трансформатором на выходе, вторичными обмотками которого через соответствующие выпрямители образованы основной и дополнительный источники напряжения, соединенные последовательно, к общему выходу которых через транзисторный ключ подключены LC-фильтр и диод рекуперации, модулятор, обеспечивающий обратную связь с выхода стабилизатора, выходом соединенный с управляющим входом транзисторного ключа, отличающийся тем, что в него введены формирователь синхроимпульсов, источник тока, резонансный LC-контур, причем основной источник напряжения состоит из 2n обмоток и 2n выпрямительных диодов, соединенных в n двухполупериодные схемы выпрямления со средним выводом вторичной обмотки, дополнительный источник напряжения содержит m двухполупериодные схемы выпрямления со средним выводом вторичной обмотки, транзисторный ключ выполнен на транзисторах одного типа проводимости и содержит управляющий транзистор и n силовых транзисторов, эмиттеры которых подключены соответственно к двухполупериодным схемам выпрямления основного источника напряжения, коллекторы силовых транзисторов объединены, шунтированы диодом рекуперации и через резонансный LC-контур подключены к входу выходного LC-фильтра, базы силовых транзисторов ключа также объединены, шунтированы управляющим транзистором и через источник тока подключены к выходу LC-фильтра, базоэмиттерный переход управляющего транзистора является входом транзисторного ключа. 2. Стабилизатор напряжения по п. 1, отличающийся тем, что формирователь синхроимпульсов включает диодный мост, диагональ переменного тока которого через две дифференцирующие RC-цепи подключена к противофазным выводам обмоток основного источника напряжения, положительный вывод моста подключен к шине питания модулятора, отрицательный вывод моста подключен к входу запуска одновибратора модулятора. 3. Стабилизатор напряжения по п. 1, отличающийся тем, что модулятор содержит управляемый одновибратор и усилитель сигнала ошибки, управляющий длительностью импульса одновибратора.