ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к силовой преобразовательной технике - к устройствам преобразования энергии постоянного напряжения в переменное или постоянное, использующимся в качестве источников вторичного электропитания.

Известны преобразователи напряжения, у которых силовой биполярный транзистор управляется от источника импульсного напряжения и ток его базы не зависит от тока коллектора [1] .

Недостатком такого устройства является как невысокая частота преобразования, так и малый КПД, в особенности при использовании в качестве силовых транзисторов с малой величиной коэффициента усиления по току.

Более эффективными являются преобразователи напряжения, у которых для управления силовым транзистором используется трансформатор тока, реализующий принцип пропорционально токового управления как на этапе открытого состояния силового транзистора, так и запирания на этапе рассасывания зарядов из полупроводниковой структуры [2] .

Недостатком такого преобразователя является его невысокая энергетическая эффективность, что вызвано тем, что токи включения и выключения, коммутируемые включающим и выключающим транзисторами, велики, так как коэффициенты усиления современных силовых биполярных транзисторов сравнительно небольшие и не превышают 10-15.

Более эффективными являются преобразователи напряжения, у которых при наличии пропорционально токового управления имеется возможность снижения уровня включающего и выключающего токов базы силового транзистора, что достигается применением двух трансформаторов тока, которые осуществляют промежуточное трансформирование токов до требуемого уровня [3] .

Снижение токов улучшает КПД управляющей цепи силового транзистора, способствует применению более малогабаритных включающего и выключающего транзисторов и повышает возможности для микроминиатюризации схемы управления преобразователя напряжения.

Это устройство является наиболее близким к предлагаемому по технической сущности процессов работы и по схемопостроению.

Недостатком этого устройства является невысокая надежность работы и невысокая энергетическая эффективность.

Целью изобретения является увеличение надежности в работе и повышение ее энергетической эффективности за счет формирования энепрерывного импульса запирающего тока базы силового транзистора и исключения энергопотребления от схемы управления для переключения транзисторным ключом преобразователя. Это расширяет функциональные возможности применения предлагаемого устройства в более мощных стабилизирующих преобразователях, а также дает возможность реализации маломощных схем управления на КМОП-структурах с малой рассеиваемой мощностью, и с малыми массой и габаритами.

Указанная цель достигается тем, что между средней точкой второго трансформатора тока и базой включающего транзистора подключен резистор, осуществляющий его открывание в единичном состоянии включающего импульса управления, т. е. при закрытом состоянии выходного КМОП транзистора схемы управления с открытым истоком. Кроме того, открывание выключающего транзистора схемы осуществляется через резистор с его коллектора, а управление этим транзистором - также КМОП ИС с открытым истоком, но работающим в противофазе с аналогичным включающим КМОП транзистором с открытым истоком.

На фиг. 1 приведена схема преобразователя напряжения; на фиг. 2 - временные диаграммы его работы.

Преобразователь содержит силовой транзистор 1, в коллекторную цепь которого включены первичная 2 обмотка первого трансформатора тока 3, первичная обмотка силового трансформатора 4 и источник входного напряжения Е_п. Эмиттер силового транзистора 1 соединен с общим полюсом источника Е_п. К точке соединения обмотки 2 и первичной обмотки трансформатора 4 подключен один из выводов первого резистора 5, второй вывод которого соединен с катодом диода 6, анодом подключенного к началу вторичной 7 обмотки первого трансформатора тока 3, конец которой соединен с эмиттерами силового 1, включающего 8 и выключающего 9 транзисторов.

База и эмиттер силового транзистора 1 подключены соответственно к началу и концу вторичной обмотки 10 второго трансформатора тока 11. Средняя точка его вторичной 12 и 12' обмотки соединена с катодом диода 6. Начало обмотки 12' подключено к коллектору выключающего транзистора 9, база которого через второй резистор 13 соединена с его коллектором. Конец обмотки 12 подключен к коллектору включающего транзистора 8, база которого через третий резистор 14 соединена с катодом диода 6.

База транзистора 8 является входом включающих импульсов схемы управления, а база транзистора 9 - входом выключающих импульсов управления. Схема управления 15 содержит логические инверторы 16 и 17, связанные соответственно выходом и входом. Выход инвертора 17 связан с входом включающего элемента 18 с открытым стоком, сток которого является выходом включающих импульсов схемы 15. Выход инвертора 16 подключен к входу выключающего элемента 19 с открытым стоком, сток которого является выходом выключающих импульсов схемы 15.

На временных диаграммах фиг. 2 изображены: эпюра 20 - напряжение на выходе включающих импульсов схемы управления 15; эпюра 21 - напряжение на выходе выключающих импульсов схемы 15; эпюра 22 - напряжение на коллекторе включающего транзистора 8; 23 - напряжение на коллекторе выключающего транзистора 9; 24 - напряжение на обмотке 7 первого трансформатора тока 3; 25 - напряжение база-эмиттер силового транзистора 1; 26 - напряжение коллектор-эмиттер силового транзистора 1.

Преобразователь напряжения работает следующим образом. В установившемся режиме работы схемы на выходах схемы управления 15 появляются импульсы, причем наличие, например, импульса на включающем выходе (точка 20 схемы) соответствует запертое состояние элемента 18 с открытым стоком. Отсутствие импульса соответствует открытому состоянию элемента 18. Выходные включающие и выключающий импульсы схемы управления 15 присутствуют, как это видно из эпюр 20 и 21, в противофазе, т. е. наличие одного импульса соответствует отсутствию другого. Это выполняется, как видно из схемы 15, инверторами 16 и 17.

При наличии включающего импульса в момент t_о (эпюра 20) открывается включающий транзистор 8 за счет того, что вход, ранее шунтированный элементом 18, раскорачивается и появляется базовый ток транзистора 8, протекающий по резисторам 5 и 14. Это приводит к открыванию транзистора 8 и появлению тока в полуобмотке 12, ограничиваемого резистором 5. Он трансформируется во вторичную обмотку 10 трансформатора 11 и вызывает базовый ток силового транзистора 1, вследствие чего последний открывается. Появляется его ток коллектора и далее транзистор 1 остается под увеличенным значением базового тока за счет трансформации тока коллектора через обмотки 2 и 7 трансформатора тока 3 и обмотки 12 и 10 трансформатора тока 11.

Применение двух трансформаторов тока дает возможность уменьшить токи переключения и выбрать соответствующие малогабаритные и маломощные включающий и выключающий транзисторы. Во время открытого и насыщенного состояния силового транзистора 1 элемент 18 должен быть закрыт и обеспечивать запертое состояние транзистора с открытым стоком. При этом транзистор элемента 19 открыт и вход выключающего транзистора 9 шунтирован, вследствие чего он заперт. Длительность импульса на выходе элемента 18 равна t_и (фиг. 2).

После открывания силового транзистора 1 напряжение на его коллекторе становится малым (эпюра 26) и ток через резистор 5 не протекает, что повышает КПД преобразователя, а питание полуобмотки 12 осуществляется от вторичной обмотки 7 первого трансформатора тока 3 при наличии коллекторного тока транзистора 1.

По окончании времени t_и элемент 18 открывается, а элемент 19 запирается. Это обусловливает снятие шунтирования со входа выключающего транзистора 9 и его открывание через резистор 13. Так как обмотки 12 и 12' включены встречно, то в приведенном виде это соответствует протеканию обратного направления тока по вторичной обмотке 10 второго трансформатора тока 11. В насыщенном силовом транзисторе начинается этап рассасывания зарядов из его полупроводниковой структуры, который длится время t_р (эпюры 23, 24 и 25). При этом напряжение на обмотке 10 трансформатора тока 11 не меняет свою полярность, а снижается на величину падения напряжения на объемном сопротивлении базы транзистора 1. Тогда напряжение на полуобмотке 12 меняет свою полярность на протяжении этапа времени t_р.

По окончании этапа времени t_р транзистор 9 остается открытым, так как элемент 19 заперт. Индуктивность намагничивания трансформатора через открытый транзистор 9 и резистор 5 разряжается в источник Е_п и перемагничивается. Диод 6 при этом заперт, так как индуктивность намагничивания также разряжается и запирает диод 6.

Суммарное время открытого состояния транзистора 1 складывается из суммы t_и и t_р. После размагничивания сердечников трансформаторов тока схема приходит в исходное состояние и далее процессы повторяются аналогично.

Таким образом, в рассмотренной схеме управление осуществляется посредством элементов с открытым стоком, что исключает потребление мощности для управления силовым транзистором от схемы управления. Запирание силового транзистора, т. е. формирование рассасывающего тока базы, реализуется на протяжении всего этапа рассасывания и без паразитных колебаний. Это определяет более высокий КПД схемы и повышенную помехоустойчивость преобразователя при больших выходных мощностях.

Преобразователь содержит силовой транзистор 1 с нагрузкой в виде силового трансформатора 4. Пропорционально токовое управление силовым транзистором 1 обеспечивается при помощи двух трансформаторов тока 3 и 11, чем выполняется требуемое согласование токов переключения с параметрами включающего 8 и выключающего транзисторов. Силовой транзистор управляется схемой управления 15, выходные каскады которой выполнены на элементах КМОП логических ИС с открытым стоком и вследствии этого практически не потребляется от схемы 15 ток для управления включающим и выключающим транзисторами. При открытом состоянии включающего транзистора 8 ток вторичной 7 обмотки трансформатора тока 3 передается через первичную обмотку трансформатора тока 11 на вторичную обмотку 10 этого же трансформатора и далее - в базу силового транзистора 1. На этапе рассасывания ток обмотки 7 через открытый выключающий транзистор передается на обмотку 12 трансформатора 11 и далее в запирающем направлении - в базу транзистора, чем обеспечивается, во-первых, пропорциональность запирающего тока коллекторному, во-вторых, форсированное запирание транзистора. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий силовой транзистор, в коллекторную цепь которого последовательно включены первичные обмотки первого трансформатора тока и слового трансформатора, а также источник входного напряжения, причем вторичная обмотка первого трансформатора тока началом через прямовключенный диод соединена с первым выводом первого резистора и со средней точкой первичной обмотки второго трансформатора тока, концом - с эмиттерами силового, включающего и выключающего транзисторов, с общим полюсом схемы и с концом вторичной обмотки второго трансформатора тока, начало которой подключено к базе силового транзистора, а начало и конец первичной обмотки второго трансформатора тока соединен с коллекторами включающего и выключающего транзисторов соответственно, база выключающего транзистора подключена к первому выводу второго резистора, а база включающего транзистора является входом включающих импульсов управления, отличающийся тем, что в него введен третий резистор, включенный между средней точкой первичной обмотки второго трансформатора тока и базой включающего транзистора, второй вывод второго резистора соединен с коллектором выключающего транзистора, база которого является входом выключающих импульсов управления. 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что второй вывод первого резистора подключен к точке соединения начала первичной обмотки первого трансформатора тока и первичной обмотки силового трансформатора.