ОДНОТАКТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для преобразования малой мощности (единицы - доли Ватт) в источниках вторичного питания.

Одной из основных характеристик для микромощных преобразователей является простое исполнение и связанные с ним надежность и удешевление. Другой важный параметр, особенно при батарейном питании, КПД: увеличение КПД увеличивает срок службы одного комплекта батарей, что немаловажно, например, для переносных приборов в экспедиционных условиях.

Известен преобразователь постоянного напряжения с колебательным контуром в цепи нагрузки, содержащий многообмоточный дроссель, выходные обмотки которого слабо связаны с его первичной обмоткой, и обмотку положительной обратной связи, тесно связанную с этой же обмоткой [1]. Пуск этого преобразователя осуществляется по цепи запуска. Амплитуда базового тока при пуске ограничивается цепью, среднее значение тока в импульсе - ограничителем тока, а длительность импульса управления - узлом выключения по длительности. В связи с тем, что ток возбуждения транзисторного ключа формируется в функции только входного напряжения, КПД этого преобразователя на средних и малых нагрузках существенно снижается. Кроме того, шунтирующие цепи ограничителя тока приводят к ускоренному разряду его конденсатора между импульсами включения транзисторного ключа, что создает ненужное упреждение на включение и приводит к появлению коммутационных потерь при замыкании ключа. Недостатком преобразователя является сложность схемы - в его цепях управления семь транзисторов, не считая компаратора.

Наиболее близким к предлагаемому преобразователю по технической сущности и достигаемому результату является однотактный преобразователь постоянного напряжения. Этот преобразователь содержит силовой транзистор, база-эмиттерный переход которого зашунтирован резистором, а коллектор-эмиттерный переход - обратным диодом, многообмоточный дроссель, первичная обмотка которого с шунтирующим ее конденсатором образует колебательный контур, подключенный одним выводом к шине питания, обмотку обратной связи, включенную между выходом управляемого узла ограничения тока и базой силового транзистора, трансформатор тока, первичная обмотка которого включена между коллектором этого транзистора и свободным выводом колебательного контура, а вторичная соединена с общей шиной и связана с первым входом узла ограничения тока и вторым входом узла выключения, управляемого с выхода узла сравнения по одному из выходных напряжений преобразователя. Второй вход узла ограничения тока соединен с выходом пускового узла, включенного между шиной питания и общей шиной [2].

Узел ограничения тока в известном преобразователе состоит из коммутирующего транзистора, включенного по схеме с общей базой, эмиттер которого является первым входом узла (подключен к промежуточному отводу вторичной обмотки трансформатора тока), и последовательной RC-цепочки, включенной между выходом узла (со стороны резистора) и общей шиной, средняя точка которой соединена с вторым входом узла (вход запуска). Кроме того, схема содержит один диод в цепи коллектора транзистора узла, второй вывод которого соединен с выходом узла, и второй диод, шунтирующий его база-эмиттерный переход.

Узел выключения содержит комплементарные транзисторы (триггер), конденсаторы, шунтирующие их база-эмиттерные переходы, резистивный делитель и последовательную RC-цепочку, свободный вывод которой соединен с первым входом, подключенным к узлу сравнения. С выходом (входом) узла соединен один из силовых выводов триггера, при этом другой вывод соединен с общей шиной.

Этот преобразователь существенно проще аналога и обладает более высоким КПД. Однако его особенности, связанные с управлением выключением по току и необходимые для обеспечения надежности и уменьшения потерь при реализации в сетевых бестрансформаторных преобразователях, в маломощном исполнении на низкое входное напряжение неоправданно усложняют схему, не приводя к выигрышу в КПД, поскольку на низких входных напряжениях весомыми, определяющими КПД, становятся другие составляющие потерь, а именно потери в открытом ключе и потери на возбуждение.

Цель изобретения состоит в упрощении и повышении КПД при малой мощности нагрузки и низком входном напряжении.

Для достижения цели в однотактный преобразователь постоянного напряжения, содержащий силовой транзистор, подключенный эмиттером к первому входному выводу преобразователя, причем между базой и эмиттером силового транзистора включен первый резистор, а между его коллектором и эмиттером - обратно включенный первый диод, пусковой узел, включенный между первым и вторым входными выводами преобразователя, узел ограничения тока, в который входит коммутирующий транзистор, эмиттером соединенный с первым входом узла, а коллектором - с выходом узла и через последовательную RC-цепочку с первым входным выводом преобразователя, причем средняя точка последовательной RC-цепочки соединена с вторым входом узла, узел выключения, в который входит вспомогательный транзистор, база которого через второй резистор соединена с первым входом узла, третий и четвертый резисторы, первый конденсатор и второй диод, подключенный первым выводом к первому входу узла, силовой многообмоточный дроссель с первичной обмоткой, шунтированной вторым конденсатором и подключенной первым выводом к второму входному выводу преобразователя, с обмоткой обратной связи, включенной между выходом узла ограничения тока и базой силового транзистора, и с вторичными обмотками, каждая из которых через выпрямитель и емкостный фильтр соединена с выходными выводами преобразователя, к одним из которых подключен узел сравнения, соединенный выходом с первым входом узла выключения, и трансформатор тока, первичная обмотка которого включена между вторым выводом первичной обмотки силового многообмоточного дросселя и коллектором силового транзистора, а вторичная обмотка первым выводом соединена с первым входным выводом преобразователя и вторым выводом - с вторым входом узла выключения и первым входом узла ограничения тока, второй вход которого соединен с выходом пускового узла, в узел выключения введены двусторонний ограничитель напряжения, включенный между эмиттером вспомогательного транзистора и вторым входом узла, и третий диод, образующий в соединении с вторым диодом согласно-последовательную диодную цепочку, свободный вывод которой непосредственно, а средняя точка через третий резистор соединены с первым входным выводом преобразователя, при этом первый конденсатор включен между средней точкой диодной цепочки и третьим входом узла выключения, соединенным с базой силового транзистора, эмиттер вспомогательного транзистора через цепь четвертого резистора связан с первым входным выводом преобразователя, а его коллектор образует выход узла выключения, который соединен с третьим входом узла ограничения тока, к которому подключена база коммутирующего транзистора.

Силовой дроссель снабжен дополнительной обмоткой, включенной последовательно в цепь четвертого резистора, а эмиттер вспомогательного транзистора соединен с первым входным выводом через введенный третий конденсатор.

Для повышения надежности пуска преобразователя между одними из выходных выводов включен стабилитрон.

На фиг.1 приведена схема преобразователя; на фиг.2 - временные диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу преобразователя.

Однотактный преобразователь содержит силовой многообмоточный дроссель 1, первичная обмотка 1.1 которого с конденсатором 2 образует колебательный контур, подключенный одним выводом к шине питания, а другим через первичную обмотку 3.1 трансформатора 3 тока к коллектору силового транзистора (ключ) 4. Коллектор-эмиттерный переход транзистора 4 зашунтирован обратно включенным диодом 5, а база-эмиттерный - резистором 6. Вторичные обмотки 1.2-1.3 дросселя (их может быть и больше) соединены каждая через выпрямитель 7 с емкостным фильтром 8. С одной из связанных с общей шиной выходных обмоток (на фиг.1 это обмотка 1.n) соединен вход узла 9 сравнения. Выход узла 9 соединен с первым входом узла 10 выключения. Узел 10 содержит выключающий вспомогательный транзистор 11, двусторонний ограничитель 12 напряжения (например, двуханодный стабилитрон или два встречно соединенных стабилитрона), соединенный с эмиттером транзистора 11, который через резистор 13 связан с общей шиной, второй резистор 14, соединенный с базой транзистора 11 и первым крайним выводом согласно-последовательной диодной цепочки 15-16, со средней точкой которой соединены конденсатор 17 и третий резистор 18. Второй вывод цепочки 15-16 и свободный вывод резистора 18 соединены с общей шиной (первый входной вывод преобразователя). Первый вывод диодной цепочки служит первым входом узла, а свободный вывод двустороннего ограничителя 12 напряжения - вторым входом узла. Третьим входом является свободный вывод конденсатора 17. Выходом узла выключения служит коллектор транзистора 11. Второй вход узла 10 соединен с первым выводом вторичной обмотки 3.2 трансформатора 3 тока, второй вывод которой подключен к общей шине. Третий вход узла 10 соединен с обмоткой 1.4 обратной связи в точке ее соединения с базой силового транзистора 4. Связь с общей шиной этой обмотки осуществляется через узел ограничения тока. В общем случае третий вход узла 10 может быть соединен с выводом отдельной обмотки силового дросселя 1, другим выводом подключенной непосредственно к общей шине.

Узел ограничения тока состоит из коммутирующего транзистора 19 и последовательной RC-цепочки 20-21, свободный вывод конденсатора 21 которой соединен с общей шиной. Первым входом узла является эмиттер транзистора 19, которым узел подсоединен к первому выводу обмотки 3.2 трансформатора 3 тока. Вторым входом узла ограничения тока служит отвод от средней точки RC-цепочки 20-21, которым он подсоединен к выходу узла 22 пуска. Третьим входом узла ограничения тока является база транзистора 19, соединенная с выходом узла 10 выключения. С выходом узла соединены коллектор его транзистора 19 и свободный вывод резистора 20.

В варианте выполнения преобразователя силовой дроссель 1 имеет дополнительную обмотку (показана пунктиром), включенную в цепь резистора 13, и введена дополнительная связь эмиттера вспомогательного транзистора 11 с общей шиной через дополнительный конденсатор (показан пунктиром). Дополнительные признаки дают усиление достигаемого в основной схеме эффекта по КПД.

Вариант с шунтированием выходов стабилитроном показан пунктиром в выходной цепи обмотки 1.2.

Узел 22 пуска может быть реализован в виде последовательной цепочки из конденсатора и резистора, включенной между входом и выходом узла с подсоединением их общей точки через диод к общей шине. Узел 9 сравнения может быть выполнен как и в прототипе по мостовой схеме, одна ветвь которой состоит из резистора и стабилитрона, а одно плечо второй ветви представлено база-эмиттерным переходом транзистора.

Устройство работает следующим образом.

При подаче напряжения на вход импульсом тока через конденсатор и резистор узла 22, резистор 20 узла ограничения тока и обмотку 1.4 приоткрывается силовой транзистор 4. Благодаря наличию положительной обратной связи по обмотке 1.4 возникает генерация и начинают заряжаться конденсаторы 8 фильтров выпрямителей.

При каждом включении ключа (интервал t₀-t₃, t₀'-t₃') на конденсаторе 17 (эпюра в) появляется положительное напряжение, открывающее через резистор 14 транзистор 11 узла 10 выключения и замыкающее тем самым цепь базы транзистора 19 узла ограничения тока. В момент t₁ при смене знака тока в первичной обмотке 1.1 дросселя 1 появляется ток ключа, и ток вторичной обмотки 3.2 трансформатора 3 тока начинает через узел ограничения тока поступать в базу ключа 4, поддерживая его открытое состояние (эпюра б). С момента t₀ начинается разряд конденсатора 17 (эпюра в); в режиме пуска по цепи резистор 8, общая шина и через диод 15 и резистор 14 в базу транзистора 11, а в установившемся режиме (при работе узла 9 сравнения) еще и через транзистор узла сравнения. При снижении этого напряжения до порога открывания транзистора 11 (момент t₂) последний начинает закрываться, запирая транзистор 19. Напряжение на эмиттере транзистора 19, т.е. на обмотке 3.2, возрастает (эпюра г), "пробивается" стабилитрон 12 и поднимается напряжение на эмиттере транзистора 11, дополнительно запирая его. Возникает триггерный режим, эффективно запирающий узел ограничения тока. Ток базы ключа 4 падает в ноль (эпюра б), в ключе начинается рассасывание неосновных носителей в базе (интервал t₂-t₃). В момент t₃ начинается рост напряжения на ключе, а напряжением обмотки 1.4 форсированно запирается его база (эпюра б). В момент t₄ открываются диоды выпрямителей 7 и до момента t₅ идет заряд конденсаторов 8. В момент t₅ начинается колебательный процесс в L_1.1C₂-контуре, в момент t₀' напряжение на ключе 4 достигает нуля и процесс повторяется.

В варианте с дополнительной обмоткой дросселя 1, включенной в цепь резистора 13, при включенном ключе 4 к эмиттеру транзистора 11 прикладывается небольшое отрицательное напряжение (0,4-0,7 В), которое снижает входное напряжение узла ограничения тока и напряжение на обмотках трансформатора 3 тока. Уменьшение падения напряжения на трансформаторе тока непосредственно уменьшает потери в силовой цепи, т.е. повышает КПД. Кроме того, это позволяет уменьшить число витков обмоток трансформатора 3 тока, что существенно улучшает его параметры и, в частности, уменьшает "колебательность" обмоток.

Упрощение схемы преобразователя достигнуто за счет замены более сложного узла выключения по току ключа простым узлом выключения по длительности, содержащим всего один транзистор.

По отношению к прототипу в микромощном исполнении предлагаемое решение обеспечивает снижение потерь на управление (за счет уменьшения падения напряжения на узле ограничения тока исключено падение напряжения на диоде и за счет подачи дополнительного напряжения на эмиттер коммутирующего транзистора). Повышение КПД, достигнутое в предлагаемом преобразователе при питании 9 В, составляет 4% (83% против 79% прототипа).

Использование: преобразование постоянного напряжения для систем вторичного электропитания. Сущность изобретения: преобразователь содержит силовой многообмоточный дроссель 1, образующий с конденсатором 2 колебательный контур и включенный последовательно с силовым транзистором 4. Силовой многообмоточный дроссель 1 снабжен вторичными обмотками, соединенными с выпрямителями 7 и емкостными фильтрами 8. Обмотка 1.4 положительной обратной связи соединена через узел ограничения тока с базой силового транзистора 4. Уровень ограничения тока задается трансформатором 3 тока, первичная обмотка 3.1 которого включена в силовую цепь, а вторичная 3.2 подсоединена к управляющему входу узла ограничения тока. Выключение тока в каждом такте осуществляется узлом 10 выключения, связанным входом с узлом 9 сравнения, а выходом с вторым управляющим входом узла ограничения тока. Запуск преобразователя при его включении обеспечивает R C-цепочка 22, подсоединенная к входным выводам преобразователя и к третьему входу узла ограничения тока. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. ОДНОТАКТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий силовой транзистор, подключенный эмиттером к первому входному выводу преобразователя, между базой и эмиттером силового транзистора включен первый резистор, а между его коллектором и эмиттером обратно включенный первый диод, пусковой узел, включенный между первым и вторым входными выводами преобразователя, узел ограничения тока, в который входит коммутирующий транзистор, эмиттером соединенный с первым входом узла, а коллектором - с выходом узла и через последовательно RS-цепочку - с первым входным выводом преобразователя, причем средняя точка последовательной RS-цепочки соединена с вторым входом узла, узел выключения, в который входит вспомогательный транзистор, база которого через второй резистор связан с первым входом узла, третий и четвертый резисторы, первый конденсатор и второй диод, подключенный первым выводом к первому входу узла, силовой многообмоточный дроссель с первичной обмоткой, шунтированной вторым конденсатором и подключенной первым выводом к второму входному выводу преобразователя, с обмоткой обратной связи, включенной между выходом узла ограничения тока и базой силового транзистора и с вторичными обмотками, каждая из которых через выпрямитель и емкостный фильтр соединена с выходными выводами преобразователя, к одним из которых подключен узел сравнения, соединенный выходом с первым входом узла выключения, и трансформатор тока, первичная обмотка которого включена между вторым выводом первичной обмотки силового многообмоточного дросселя и коллектором силового транзистора, а вторичная обмотка первым выводом соединена с первым входным выводом преобразователя и вторым выводом - с вторым входом узла управления и первым входом узла ограничения тока, второй вход которого соединен с выходом пускового узла, отличающийся тем, что, с целью упрощения и повышения КПД при малой мощности нагрузки и низком входном напряжении, в узел выключения введены двусторонний ограничитель напряжения, включенный между эмиттером вспомогательного транзистора и вторым входом узла, и третий диод, образующий в соединении с вторым диодом согласно-последовательную диодную цепочку, свободный вывод которой непосредственно, а средняя точка через третий резистор соединены с первым входным выводом преобразователя, первый конденсатор включен между средней точкой диодной цепочки и третьим входом узла выключения, соединенным с базой силового транзистора, эмиттер вспомогательного транзистора через цепь четвертого резистора связан с первым входным выводом преобразователя, а его коллектор образует выход узла выключения, который соединен с третьим входом узла ограничения тока, к которому подключена база коммутирующего транзистора. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что силовой дроссель снабжен дополнительной обмоткой, включенной последовательно в цепь четвертого резистора, а эмиттер вспомогательного транзистора соединен с первым входным выводом через введенный третий конденсатор. 3. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности пуска, между одним из выходных выводов включен стабилитрон.