ОДНОТАКТНЫЙ ОБРАТНОХОДОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может использоваться в источниках вторичного электропитания.

Известен однотактный преобразователь напряжения [1], содержащий транзисторный ключ, подключенный к входным выводам через первичную обмотку трансформатора, вторичная обмотка которого через выпрямитель и сглаживающий фильтр соединена с выходными выводами, причем в разрыв между выпрямителем и вторичной обмоткой включен дроссель, а к входам сглаживающего фильтра - конденсатор, образующий вместе с дросселем резонансный контур. Этот контур снижает уровень коммутационных помех и динамические потери мощности в ключевых элементах.

Основной недостаток данного устройства - завышенная установленная мощность электромагнитных элементов и полупроводниковых ключей в связи с увеличенной в несколько раз амплитудой потребляемого тока, обусловленного перезарядом дросселя и конденсатора резонансного контура и протекающего по обмоткам трансформатора и дросселя и по ключевым элементам.

Известен однотактный обратноходовой преобразователь напряжения [2], наиболее близкий по своей технической сущности к предлагаемому изобретению и выбранный в качестве прототипа. Данное устройство содержит транзисторный ключ, подсоединенный к входным выводам через первичную обмотку трансформатора, вторичная обмотка которого подключена через выпрямительный диод к выходным выводам, связанным с выводами сглаживающего фильтра, причем к выводам вторичной обмотки подключен дроссель, а параллельно выпрямительному диоду - конденсатор. Данный преобразователь имеет пониженный уровень помех, а также пониженные установленные мощности трансформатора, дросселя, конденсатора и транзисторного ключа.

Недостаток преобразователя-прототипа - низкий КПД за счет высоких динамических потерь мощности. Данный недостаток обусловлен зарядом конденсатора во время включения транзисторного ключа и появлением броска тока (тока заряда). Ограничение броска тока обеспечивается нахождением транзисторного ключа в активном режиме, а не в насыщении. На всем интервале открытого состояния транзисторного ключа ток в первичной обмотке трансформатора нарастает. При отсечке этого тока запирающимся ключом полярность напряжения на обмотках трансформатора изменяется и процесс запирания происходит при значительных значениях тока и напряжения на ключе. Следовательно, динамические потери в транзисторном ключе при отпирании и запирании будут большими, а КПД преобразователя - низким. Кроме того, из-за относительно высокой амплитуды тока в конце интервала открытого состояния транзисторного ключа имеют повышенную установленную мощность трансформатор и транзистоpный ключ.

Цель изобретения - повышение КПД преобразователя за счет снижения динамических потерь мощности.

Цель достигается тем, что известный однотактный обратноходовой преобразователь напряжения, содержащий транзисторный ключ, подсоединенный к входным выводам через первичную обмотку трансформатора, вторичная обмотка которого подключена через выпрямительный диод к выходным выводам, связанным с выводами сглаживающего фильтра, причем к общей точке анода выпрямительного диода и конца вторичной обмотки подключен первый вывод конденсатора, а к началу вторичной обмотки - первый вывод дросселя, снабжен одной или несколькими одинаковыми и соединенными друг с другом параллельно цепями рекуперации, первая из которых содержит диодный узел и упомянутые конденсатор и дроссель, первые выводы которых являются соответственно первым и вторым входами цепи рекуперации, а ее выход подключен к катоду выпрямительного диода и является выходом диодного узла, соединенного первым входом с вторым выводом конденсатора и вторым входом - с вторым выводом дросселя. Диодный узел может быть выполнен в двух вариантах. В первом варианте диодный узел содержит два диода, причем катод первого и анод второго диодов объединены и образуют первый вход, анод первого диода - второй вход и катод второго диода - выход диодного узла. Во втором варианте в диодный узел введен третий диод, анод которого соединен с анодом первого диода, а катод - с катодом второго диода.

Предлагаемая совокупность существенных признаков, включающая в себя введение одной или нескольких цепей рекуперации, выполнение и подключение этих цепей обеспечивает достижение цели изобретения. Действительно, отпирание транзисторного ключа происходит при нулевом коллекторном токе, который формируется дросселем и начинается с нуля при подаче напряжения на первичную обмотку. При запирании транзисторного ключа отсечка тока коллектора происходит при низком значении коллекторного напряжения (близком к нулю) за счет сохранения уровня и полярности напряжения на обмотках трансформатора с помощью заряженного конденсатора и его тока разряда, протекающего по вторичной обмотке. В результате динамические потери мощности в отпирающемся и запирающемся транзисторном ключе резко снижаются, а КПД преобразователя увеличивается. Кроме того, на интервале открытого состояния транзисторного ключа одновременно запасается энергия в трансформаторе и в конденсаторах цепей рекуперации и частично передается из дросселя в цепь нагрузки. Это позволяет при постоянной мощности нагрузки снизить амплитуду коллекторного тока в момент начала его отсечки, сделать его форму близкой к прямоугольной и в итоге снизить установленную мощность трансформатора и транзисторного ключа.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема предлагаемого преобразователя напряжения; на фиг.2 - принципиальная схема второго варианта диодного узла.

Предлагаемый однотактный обратноходовой преобразователь напряжения (фиг. 1) содержит транзисторный ключ 1 и трансформатор 2, первичная обмотка 3 которого подключена через транзисторный ключ 1 к входным выводам, а вторичная обмотка 4 через выпрямительный диод 5 - к выходным выводам вместе с выводами сглаживающего фильтра 6. Цепи 7 рекуперации выполнены по идентичным схемам и соединены друг с другом параллельно. Первая из цепей рекуперации 7 содержит конденсатор 8 и дроссель 9. Первый вывод конденсатора 8 подключен к общей точке анода выпрямительного диода 5 и конца вторичной обмотки 4 и является первым входом цепи 7 рекуперации, ее второй вход образован первым выводом дросселя 9 и подсоединен к началу вторичной обмотки 4, а ее выход подключен к катоду выпрямительного диода 5. У диодного узла 10 первый и второй входы соединены с вторыми выводами конденсатора 8 и дросселя 9, а выход - с катодом выпрямительного диода 5. Первый вариант диодного узла 10 выполнен на двух диодах 11 и 12, причем катод первого диода 11 и анод второго диода 12 объединены и образуют первый вход, анод первого диода 11 - второй вход, а катод второго диода 12 - выход диодного узла 10. Во втором варианте в выпрямительный узел 10 (фиг.2) введен третий диод 13, подключенный анодом к аноду первого диода 11, а катодом - к катоду второго диода 12. Кроме этих вариантов возможно использование в диодном узле МДП-транзисторов, выполняющих функцию указанных диодов.

Работа предлагаемого преобразователя происходит следующим образом. Транзисторный ключ 1 коммутирует первичную обмотку 3 трансформатора 2 с частотой, задаваемой последовательностью прямоугольных импульсов, подаваемых на его базу (фиг. 1). При открывании ключа 1 все питающее напряжение прикладывается к первичной обмотке 3 трансформатора 2. Полярность напряжения на вторичной обмотке 4 для выпрямительного диода 5 является запирающей. На сглаживающем фильтре 6 накоплено напряжение, прикладываемое к нагрузке. Конденсатор 8 заряжается через первый диод 11 и дроссель 9. Однако в первый момент отпирания ключа 1 все напряжение вторичной обмотки прикладывается к дросселю 9, ток в котором равен нулю. Транзисторный ключ 1 сразу входит в насыщение. Затем ток в дросселе 9 начинает нарастать, заряжая конденсатор 8 (второй диод 12 закрыт положительным потенциалом на сглаживающем фильтре 6). По мере заряда конденсатора 8 напряжение на дросселе 9 спадает и становится нулевым при максимальном токе заряда и при напряжении на конденсаторе 8, равном напряжению на вторичной обмотке 4. Далее полярность напряжения на дросселе 9 меняется и его значение увеличивается до тех пор, пока не достигнет уровня выходного напряжения преобразователя. После этого открывается второй диод 12 и ток дросселя 9 потечет в нагрузку и сглаживающий фильтр 6, а конденсатор 8 перестанет заряжаться и напряжение на нем становится постоянным и равным сумме напряжений на вторичной обмотке 4 и сглаживающем фильтре 6. При снижении тока дросселя 9 до нуля первый и второй диоды 11, 12 закрываются. До этого времени по первичной обмотке 3 трансформатора 2 протекают две составляющие тока: приведенный ток дросселя 9 и ток, связанный с накоплением энергии в трансформаторе 2, нарастающий по линейному закону. В начале процесса запирания транзисторного ключа 1 напряжение на первичной обмотке 3 сохраняет свою полярность и значение, равное значению питающего напряжения, что позволяет транзисторному ключу 1 произвести отсечку коллекторного тока, не выходя из насыщения, то есть практически при нулевом коллекторном напряжении. Это объясняется тем, что во время запирания транзисторного ключа 1 от заряженного конденсатора 8 по вторичной обмотке 4 протекает разрядный ток (через второй диод и емкостный фильтр 6), обеспечивающий сохранение напряжения на этой обмотке, равного разности напряжений на конденсаторе 8 и сглаживающем фильтре 6 и имевшего место при открытом транзисторном ключе 1. В результате на коллекторе запирающегоcя транзисторного ключа 1 напряжение остается прежним, близким к нулю. По мере разряда напряжение на конденсаторе 8 снижается. Одновременно снижается и напряжение на вторичной обмотке 4, которое спадает до нуля, а затем, изменяя полярность на противоположную, достигает значения, равного значению напряжения на сглаживающем фильтре 6. Конденсатор 8 к этому моменту полностью разрядился. Сразу же открывается выпрямительный диод 5 и через него в фильтр 6 и нагрузку потечет линейно спадающий ток, определяемый запасенной в трансформаторе энергией. В это время на коллекторе транзисторного ключа 1 напряжение становится равным сумме питающего напряжения и напряжения на нагрузке, приведенного к виткам первичной обмотки 3. Закрытое состояние транзисторного ключа 1 сохраняется до полной отдачи накопленной трансформатором 2 энергии в нагрузку. После открывания транзисторного ключа 1 все процессы повторяются аналогично. Напряжение на нагрузке с помощью сглаживающего фильтра 6 поддерживается постоянным.

Включение третьего диода 13 позволяет сократить потери мощности на интервале протекания тока дросселя 9 в цепь нагрузки. Для подключения второй (третьей и т.д.) цепи 7 рекуперации необходимо выбрать у нее емкость конденсатора 8 и индуктивность дросселя 9 так, чтобы период собственных колебаний этой цепи был ниже периода собственных колебаний первой цепи 7 рекуперации. В результате форма кривой суммарного тока в цепи первичной обмотки 3 на интервале открытого состояния транзисторного ключа 1 будет близка к прямоугольной. Это увеличит долю энергии, передаваемую в цепь нагрузки за счет цепей 7 рекуперации, по сравнению с энергией, накапливаемой трансформатором 2 и отдаваемой в цепь нагрузки после запирания транзисторного ключа 1. Обе доли энергии становятся практически равными при прямоугольной форме кривой коллекторного тока при подключении нескольких цепей 7 рекуперации.

Таким образом, повышение КПД преобразователя достигается за счет снижения динамических потерь мощности в транзисторном ключе при его отпирании и запирании. Отпирание ключа происходит при нулевом токе, так как ток заряда конденсатора формируется дросселем и начинается с нуля. В процессе запирания отсечка коллекторного тока осуществляется при низком (близком к нулю) уровне коллекторного напряжения, поскольку за счет тока разряда заряженного конденсатора напряжение на вторичной обмотке, а также и на первичной обмотке сохраняет свое значение и полярность почти на всем интервале отсечки. Следовательно, отпирание при нулевом коллекторном токе, а запирание - при нулевом коллекторном напряжении обеспечивают значительное снижение динамических потерь мощности и повышение КПД преобразователя. За счет подключения нескольких цепей рекуперации можно получить форму кривой тока в первичной обмотке трансформатора, близкую к прямоугольной, и в результате уменьшается амплитуда этого тока (при сохранении мощности нагрузки) и может быть снижена установленная мощность трансформатора и транзисторного ключа.

Проверка предложенного решения проводилась на макете однотактного обратноходового преобразователя с входным напряжением постоянного тока 310 В, выходным напряжением 27 В, мощностью нагрузки 25 Вт, частоте преобразования 60 кГц. Без цепи рекуперации КПД преобразователя не превышал 0,75. При подключении одной цепи рекуперации через нее передавалось около 25% мощности, потребляемой нагрузкой. В результате КПД возрос до 87-90%, потери в транзисторном ключе снизились более, чем в 3 раза. При подключении дополнительной цепи рекуперации увеличения КПД не наблюдалось. Однако форма кривой тока приблизилась к прямоугольной, что дает возможность снизить установленную мощность трансформатора на 10-15% и выбрать транзистор на меньший коллекторный ток.

Использование: в источниках вторичного электропитания. Сущность изобретения: преобразователь выполнен по однотактной схеме с обратным включением выпрямительного диода и трансформаторным разделением сетей питания и нагрузки. Он снабжен одной или несколькими идентичными цепями рекуперации, соединенными параллельно друг с другом, каждая из которых содержит конденсатор, диодный узел и дроссель. Снижение динамических потерь мощности в транзисторном ключе достигнуто за счет его отпирания при нулевом коллекторном токе (дроссель формирует ток коллектора и определяет ток заряда конденсатора), а запирания - при нулевом коллекторном напряжении, полученном с помощью заряженного конденсатора. Включение двух и более цепей рекуперации дает возможность формирования кривой коллекторного тока ключа, близкой к прямоугольной, и передачи части мощности в нагрузку во время прямого хода, что снижает установленную мощность трансформатора и транзисторного ключа. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. ОДНОТАКТНЫЙ ОБРАТНОХОДОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий транзисторный ключ, подсоединенный к входным выводам через первичную обмотку трансформатора, вторичная обмотка которого подключена через выпрямительный диод к выходным выводам, связанным с выводами сглаживающего фильтра, причем к общей точке анода выпрямительного диода и конца вторичной обмотки подключен первый вывод конденсатора, а к началу вторичной обмотки - первый вывод дросселя, отличающийся тем, что преобразователь снабжен одной или несколькими одинаковыми и соединенными одна с другой параллельно цепями рекуперации, первая из которых содержит диодный узел и упомянутые конденсатор и дроссель, первые выводы которых являются соответственно первым и вторым входами цепи рекуперации, а ее выход подключен к катоду выпрямительного диода и является выходом диодного узла, соединенного первым входом с вторым выводом конденсатора и вторым входом - с вторым выводом дросселя. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что диодный узел выполнен на двух диодах, причем катод первого и анод второго диодов объединены и образуют первый вход, анод первого диода - второй вход и катод второго диода - выход диодного узла. 3. Преобразователь по п.2, отличающийся тем, что в диодный узел введен третий диод, анод которого соединен с анодом первого диода, а катод - с катодом второго диода.