СПОСОБ ОГРАНИЧЕНИЯ ОДНОСТОРОННЕГО НАСЫЩЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА ИМПУЛЬСНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК H02M7/538 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в устройствах электропитания радиоэлектронной аппаратуры, содержащих импульсные преобразователи напряжения.

В настоящее время происходит неуклонное повышение рабочей частоты импульсных преобразователей напряжения, позволяющее существенно снизить массу и габариты и делающее целесообразным по энергетическим показателям применение для магнитопровода силового трансформатора материалов с прямоугольной петлей гистерезиса. Однако использование таких материалов приводит в большинстве случаев к одностороннему насыщению магнитопровода трансформатора и резкому увеличению тока через первичную обработку, что может привести к отказу преобразователя.

Известны способы ограничения одностороннего насыщения трансформатора путем выявления сигнала, пропорционального величине одностороннего насыщения, сравнения его с заданным сигналом, пропорциональным допустимой величине одностороннего насыщения, и выработки управляющего сигнала, изменяющего режим перемагничивания трансформатора, в которых в качестве сигнала, пропорционального величине одностороннего насыщения, используют разность средних за соседние полупериоды работы преобразования значений напряжения на первичной обмотке трансформатора, либо тока через них [1] [2]
Однако известные способы уменьшают величину одностороннего насыщения, связанную с первичной обмоткой, но не реагируют на насыщение со стороны вторичных обмоток и работают уже при наличии одностороннего насыщения в трансформаторе.

Обнаружить наступление насыщения задолго до его появления, когда увеличение тока в первичной обмотке еще практически не заметно, можно, только контролируя ток намагничивания трансформатора.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ ограничения одностороннего насыщения трансформатора импульсного преобразователя напряжения путем выявления сигнала, пропорционального току намагничивания трансформатора, сравнения его с заданным сигналом, пропорциональным допустимому току намагничивания, и формирования управляющего воздействия, корректирующего режим перемагничивания трансформатора, например, путем изменения длительности включенного состояния ключевых элементов преобразователя [3] принятый за прототип.

Выявление сигнала, пропорционального току намагничивания, в способе-прототипе осуществляют дискретно, в момент паузы в работе преобразователя, когда все обмотки трансформатора отключают от источников и потребителей энергии и к одной из обмоток подключают датчик тока, через который пропускают ток намагничивания, приведенный к данной обмотке.

Недостатком способа-прототипа является то, что ток намагничивания контролируют дискретно только в момент паузы в работе преобразователя, что не позволяет использовать этот способ в преобразователях с самовозбуждением, так как в их работе отсутствует пауза, и снижает надежность, например, при скачкообразном увеличении напряжения питания преобразователя между паузами.

В способе ограничения одностороннего насыщения тpансформатора импульсного преобразователя напряжения путем выявления сигнала, пропорционального току намагничивания трансформатора, сравнения его с заданным сигналом, пропорциональным максимально допустимому току намагничивания, и формирования управляющего воздействия, корректирующего режим перемагничивания трансформатора для расширения функциональных возможностей и повышения надежности за счет непрерывного контрольного тока намагничивания, охватывают часть магнитопровода трансформатора короткозамкнутым витком и используют величину тока в нем в качестве сигнала, пропорционального току намагничивания трансформатора.

Схема преобразователя напряжения, в котором реализован предлагаемый способ, приведена на чертеже.

Преобразователь содержит трансформатор с сердечником 1, коллекторные обмотки 2, 3 которого подключены через силовые транзисторы 4, 5 к входным зажимам преобразователя, базовые обмотки 6, 7, подключенные через базовые резисторы 8, 9 к переходам база-эмиттер силовых транзисторов, коммутирующие транзисторы 10, 11, подключенные параллельно переходам база-эмиттер силовых транзисторов, нагрузочные резисторы 12, 13 трансформатора тока с сердечником 14, подключенные к вторичным обмоткам 15, 16 трансформатора тока и шунтирующие переходы база-эмиттер коммутирующих транзисторов, короткозамкнутый виток 17, охватывающий часть сердечника 1 трансформатора и являющийся одновременно первичной обмоткой трансформатора тока, вторичную обмотку 18 трансформатора, подключенную к нагрузке преобразователя 19. Короткозамкнутый виток выполняют, пропустив проводник либо в отверстие в сердечнике трансформатора недалеко от края, либо между витками витого сердечника. Для того, чтобы не уменьшить сколь-нибудь заметно площадь сечения сердечника трансформатора, площадь сечения сердечника, охватываемая короткозамкнутым витком, выбирается равной не более 0,1 от площади сечения сердечника трансформатора за счет соответствующего расположения отверстия, через которое пропускают виток.

Преобразователь работает следующим образом. Наличие положительной обратной связи между коллекторными 2, 3 и базовыми 6, 7 обмотками трансформатора создает автогенераторный режим переключения силовых транзисторов 4, 5. При этом происходит перемагничивание сердечника 1 трансформатора и в короткозамкнутом витке 17 индуцируется ток i_кз.

Величину i_кз определим из известного соотношения для ампер-витков, охватывающих часть кольцевого магнитопровода, ограниченную короткозамкнутым витком:
i_к˙W_к=i_кз+i₂˙W₂ (1) где i_к ток коллекторной обмотки 2, 3;
i₂ ток вторичной обмотки 18;
W_к число витков коллекторной обмотки 2, 3;
W₂ число витков вторичной обмотки.

Решая (1) относительно i_кз получим:
i_кз= Wi_к- i₂ (2)
Величина в скобках в уравнении (2) есть не что иное, как ток намагничивания i_μ трансформатора, приведенный к коллекторной обмотке.

Следовательно, окончательно получим:
i_кз=W_к˙i_μ (3)
Из (3) следует, что ток в короткозамкнутом витке пропорционален току намагничивания трансформатора.

Протекание тока i_кз через короткозамкнутый виток, являющийся одновременно первичной обмоткой трансформатора тока, приводит к появлению на вторичных обмотках 15, 16 трансформатора тока напряжения U₂, величина которого равна
U₂ i_μ·R где W₂ число витков вторичной обмотки 15, 16 трансформатора тока;
R сопротивление резистора 12, 13.

Как только величина U₂ станет достаточной для отпирания коммутирующего транзистора 10 (11), он откроется и шунтирует переход база-эмиттер силового транзистора 4 (5). При этом произойдет закрывание соответствующего силового транзистора и открывание другого.

Из вышеизложенного следует, что в данном преобразователе с самовозбуждением осуществляется непрерывный контроль тока намагничивания трансформатора, а переключение силовых транзисторов происходит при достижении током намагничивания заданной величины, за счет чего исключается одностороннее насыщение трансформатора преобразователя при любых изменениях напряжения питания.

Таким образом, предлагаемый способ, как и способ-прототип, позволяет предотвращать одностороннее насыщение сердечника трансформатора импульсного преобразователя напряжения, но, в отличие от прототипа, позволяет применить его в преобразователях с самовозбуждением, что расширяет функциональные возможности способа и повышает надежность за счет непрерывного контроля тока намагничивания, исключая одностороннее насыщение трансформатора либо любых изменениях входного напряжения преобразователя.

Использование: при проектировании устройств электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Сущность изобретения: способ ограничения одностороннего насыщения трансформатора импульсного преобразователя напряжения заключается в том, что выявляют сигнал, пропорциональный току намагничивания трансформатора, сравнивают его с заданным сигналом, пропорциональным допустимому току намагничивания, и формируют управляющий сигнал, корректирующий режим перемагничивания трансформатора. Выявление сигнала, пропорционального току намагничивания трансформатора, осуществляют путем измерения тока в короткозамкнутом витке, охватывающем часть магнитопровода трансформатора. 1 ил.

СПОСОБ ОГРАНИЧЕНИЯ ОДНОСТОРОННЕГО НАСЫЩЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА ИМПУЛЬСНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ, заключающийся в том, что выявляют сигнал, пропорциональный току намагничивания трансформатора, сравнивают его с заданным сигналом, пропорциональным максимально допустимому току намагничивания, и формируют управляющий сигнал, корректирующий режим перемагничивания трансформатора, отличающийся тем, что выявление сигнала, пропорционального току намагничивания трансформатора, осуществляют путем измерения тока в коротко замкнутом витке, охватывающем часть магнитопровода трансформатора.