ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК H02M7/537 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для преобразования постоянного напряжения в переменное на транспортных средствах и в промышленности.

Известен преобразователь напряжения, содержащий два транзистора, эмиттер и коллектор которых связаны через первичную обмотку трансформатора со средним вводом с зажимами источника питания. Обмотки обратной связи подключены через резистор к общей точке эмиттеров и базам транзисторов [1]
Преобразователь имеет повышенные потери при коммутации. К транзисторам прикладывается удвоенное напряжение питания, что затрудняет разработку высоковольтных преобразователей. При коммутации возникают значительные перенапряжения.

Известен преобразователь напряжения, содержащий силовой и задающий трансформаторы, два транзистора, эмиттер и коллектор которых через первичную обмотку силового трансформатора со средним выводом связаны с зажимами источника питания. Обмотки обратной связи подключены через резистор к общей точке эмиттеров и базам транзисторов. Первичная обмотка задающего трансформатора подключена к крайним выводам первичной обмотки силового трансформатора [2]
К транзисторам преобразователя прикладывается удвоенное напряжение питания. При коммутации возникают значительные перенапряжения, что снижает надежность.

Наиболее близким к заявленному преобразователю по технической сущности и достигаемому результату является преобразователь напряжения, содержащий трансформатор, первый вывод первичной обмотки которого подключен к среднему выводу источника питания, а второй вывод через транзисторы связан с крайними выводами источника питания. Обмотки обратной связи через резисторы подключены к базам и эмиттерам транзисторов [3]
В преобразователе при коммутации возникают значительные перенапряжения, что снижает надежность и приводит к уменьшению мощности благодаря более низкому напряжению питания. Преобразователь имеет повышенные эксплуатационные расходы, что является следствием следующего. При пробое одного из транзисторов к другому открытому транзистору прикладывается полное напряжение источника питания. Ток через транзистор проходит до момента спада тока в обмотке обратной связи и рассасывания избыточного заряда в полупроводниковой структуре транзистора. В высоковольтном преобразователе перегрев структуры может привести к выходу из строя транзистора.

Через первичную обмотку трансформатора и пробитый транзистор происходит колебательный перезаряд конденсатора фильтра. После разряда конденсатора на нем изменяется полярность напряжения, изменяется полярность напряжения на обмотках обратной связи, открытый ранее транзистор снова открывается и остается открытым в течение полупериода колебаний колебательного контура, состоящего из конденсатора фильтра и индуктивности первичной обмотки трансформатора. При этом к транзистору приложено напряжение питания, что приводит к выделению в структуре значительной энергии и пробою транзистора. Выход из строя двух транзисторов увеличивает эксплуатационные расходы.

Цель изобретения повышение надежности, увеличение мощности и снижение эксплуатационных расходов.

Сущность изобретения заключается в том, что в отличие от известного преобразователя напряжения, содержащего трансформатор, первый вывод первичной обмотки которого соединен с зажимом для подключения среднего вывода источника питания, два транзистора, эмиттеры которых связаны с базами через цепочки из обмотки обратной связи и резистора, зажим для подключения первого крайнего вывода источника питания через первый транзистор соединен с вторым выводом первичной обмотки, зажим для подключения второго крайнего вывода источника питания подключен к первому силовому выводу второго транзистора, в предлагаемом преобразователе напряжения введены два диода и дополнительная обмотка. К зажиму для подключения среднего вывода источника питания разноименными силовыми электродами подсоединены упомянутые диоды и первый вывод дополнительной обмотки, второй вывод которой связан с вторым силовым выводом второго транзистора. Свободные силовые электроды диодов подсоединены к зажимам для подключения крайних выводов источника питания.

Сущность изобретения заключается также в том, что введены дополнительно два диода. Второй вывод дополнительной обмотки через первый дополнительный диод связан с зажимом для подключения первого крайнего вывода источника питания. Зажим для подключения второго крайнего вывода источника питания через второй дополнительный диод соединен с вторым выводом первичной обмотки.

Введен задающий трансформатор, первый вывод первичной обмотки которого соединен с зажимом для подключения среднего вывода источника питания, а второй с вторым выводом первичной обмотки трансформатора.

Второй вывод первичной обмотки задающего трансформатора подключен к отводу первичной обмотки трансформатора.

Дополнительно введены конденсатор, два транзистора различных типов проводимости, диод, пороговый элемент и три резистора. Первый вывод конденсатора подключен к эмиттеру транзистора первого типа проводимости преобразователя. Второй вывод конденсатора через запускающий резистор связан с коллектором упомянутого транзистора, а через последовательно соединенные первый резистор и первый дополнительный транзистор первого типа проводимости с базой упомянутого транзистора преобразователя, эмиттер которого через пороговый элемент соединен с базой второго дополнительного транзистора другого типа проводимости, связанной через диод и второй резистор с коллектором первого дополнительного транзистора, база которого через третий резистор соединена с коллектором второго дополнительного транзистора, эмиттер которого подключен к второму выводу конденсатора.

Запускающий резистор зашунтирован последовательно соединенными резистором и диодом.

На фиг.1 приведен преобразователь напряжения с одним трансформатором; на фиг.2 вариант преобразователя с двумя трансформаторами; на фиг.3 блок запуска преобразователя.

Преобразователь напряжения (фиг.1) содержит трансформатор 1, общая точка первичных обмоток 2 и 3 подключена к среднему выводу источника питания. Крайние выводы первичных обмоток 2 и 3 через транзисторы 4 и 5 и диоды 6 и 7 связаны с крайними выводами источника питания. Эмиттеры транзисторов 4 и 5 связаны с их базами через соединенные последовательно обмотки 8 и 9 обратной связи и резисторы 10 и 11. Для запуска преобразователя, например, база транзистора 4 через резистор 12 соединена со средним выводом источника питания. Диоды 13 и 14 разноименными силовыми электродами подсоединены к зажиму для подключения среднего вывода источника питания. Свободные силовые электроды диодов 13 и 14 соединены с зажимами для подключения крайних выводов источника питания. В качестве источника питания могут быть использованы два последовательно соединенные источника напряжения, или же один источник 15 напряжения с искусственной средней точкой, образованной последовательно соединенными конденсаторами 16 и 17.

Для уменьшения коммутационных потерь введен задающий трансформатор 18, первичная обмотка 19 которого соединена с зажимом для подключения среднего вывода источника питания и с крайним выводом первичной обмотки 2. Обмотки 8 и 9 обратной связи расположены на задающем трансформаторе 18 (фиг.2). Для примера на фиг.2 использованы транзисторы 4 и 5 различных типов проводимости.

В высоковольтном преобразователе напряжения для уменьшения массы и габаритов задающего трансформатора 18 его первичная обмотка 19 может быть соединена с зажимом для подключения среднего вывода источника питания и с отводом первичной обмотки 2.

Для уменьшения потерь и повышения надежности введен блок запуска (фиг. 3), содержащий конденсатор 20, два транзистора 21 и 22 различных типов проводимости, диод 23, пороговый элемент 24 и резисторы 25 и 27. Базы транзисторов 21 и 22 могут быть соединены с их эмиттерами резисторами 28 и 29. Первый вывод конденсатора 20 подключен к эмиттеру транзистора 4 преобразователя, его второй вывод через резистор 12 связан с коллектором упомянутого транзистора, а через последовательно соединенные резистор 25 и транзистор 21 с базой транзистора 4. Эмиттер транзистора 4 через пороговый элемент 24 соединен с базой транзистора 22, связанной через диод 23 и резистор 26 с коллектором транзистора 21, база которого соединена через резистор 27 с коллектором транзистора 22, эмиттер транзистора 2 подключен к второму выводу конденсатора 20. Резистор 12 зашунтирован последовательно соединенными диодом 30 и резистором 31.

Преобразователь напряжения работает следующим образом.

Пусть открыт транзистор 4. Напряжение конденсатора 16 прикладывается к обмотке 2 (фиг.1). Транзистор 5 закрыт напряжением обмотки 9. Конденсатор 16 разряжается, а конденсатор 17 заряжается половиной тока обмотки 2. При насыщении сердечника трансформатора 1 запирается транзистор 4. Меняется полярность напряжения на обмотках трансформатора 1. Ток обмотки 2 замыкается по цепи: 2-17-6-2 и энергия, накопленная в индуктивности обмотки 2, передается конденсатору 17. Напряжение на обмотке при этом ограничивается на уровне напряжения на конденсаторе. После передачи накопленной в обмотке 2 энергии создаются потенциальные условия для протекания тока по цепи: 17-3-5-17 и процесс протекает аналогично описанному выше.

Предположим, что при открытом транзисторе 4 происходит пробой транзистора 5. По обмотке 3 начинает протекать ток разряда конденсатора 17, что приводит к увеличению тока обмотки 2. Переход транзистора 4 в активную область вызывает его запирание, изменяется полярность напряжения на обмотках трансформатора 1. Происходит разряд конденсатора 17. После разряда конденсатора 17 или перегорания предохранителя при двух источниках напряжения, ток проходит по цепи: 6-2-3-5-6, а также по цепи: 3-5-14-3. Напряжение на первичных обмотках 2 и 3 равно падению напряжения на открытом диоде, что исключает повторное отпирание транзистора 4 при отсутствии цепей запуска.

При введении задающего трансформатора 18 во время работы преобразователя его сердечник насыщается. Обмотки обратной связи 8 и 9 расположены на трансформаторе 18, поэтому насыщение сердечника приводит к запиранию открытого транзистора и отпиранию закрытого. При этом сердечник трансформатора 1 не насыщается (фиг.2).

При использовании конденсатора для запуска преобразователя повторное отпирание транзистора в аварийном режиме не происходит, однако надежность запуска низкая при малой скорости нарастания напряжения питания при включении.

При использовании резистора 12 для запуска преобразователя через транзистор 4 протекает ток, равный произведению тока резистора на коэффициент усиления транзистора. Для уменьшения количества тепла, выделяемого на транзисторе, необходимо увеличивать сопротивление резистора 12, что снижает надежность запуска преобразователя.

Для обеспечения надежного запуска преобразователя и уменьшения мощности потерь на транзисторе в аварийном режиме введен блок запуска (фиг.3), который работает следующим образом.

После подачи напряжения питания происходит заряд конденсатора 20 через резистор 12 и первичную обмотку 2. После заряда конденсатора 20 до напряжения пробоя порогового элемента 24 ток проходит через пороговый элемент 24 и базу транзистора 22, что приводит к протеканию тока по цепи: 16-4-21-27-22-12-2-16 и появлению тока коллектора транзистора 21, часть которого через резистор 26 и диод 23 поступает в базу транзистора 22. Происходит лавинообразный процесс отпирания транзисторов 21 и 22. После перехода транзисторов 21 и 22 в активную область по мере разряда конденсатора 20, транзисторы 21 и 22 лавинообразно запираются.

При нормальной работе преобразователя при закрытом транзисторе 4 конденсатор 20 заряжается через резистор 12, а при открытом разряжается через диод 30 и резистор 31, поэтому блок запуска не влияет на работу преобразователя.

При пробое транзистора 5 первичная обмотка 3 закорочена через диод 14 и пробитый транзистор, поэтому после запирания транзисторов 21 и 22 блока запуска транзистор 4 также выключается.

После пробоя транзистора 5 блок запуска формирует короткие импульсы (около 10-20 мкс) с низкой частотой, что исключает перегрев транзистора 4. При пробое транзистора 4 блок запуска не влияет на состояние транзистора 5.

Из изложенного видно, что в предлагаемом преобразователе напряжения практически отсутствуют перенапряжения и при коммутации к транзисторам прикладывается напряжение, близкое к напряжению источника питания. Отсутствие перенапряжений позволяет увеличить напряжение источника питания и мощность преобразователя. Защита целого транзистора при пробое одного из них снижает эксплуатационные расходы.

Надежный запуск преобразователя при включении и отсутствие перенапряжений позволяют повысить надежность.

Использование: преобразование постоянного напряжения в переменное на транспортных средствах и в промышленности. Сущность изобретения: преобразователь напряжения содержит трансформатор, две первичные обмотки которого одноименными первыми выводами соединены с зажимом для подключения среднего вывода источника питания (ВИП). Свободные вторые выводы обмоток через транзисторы связаны с зажимами для подключения крайних ВИП. Эмиттеры транзисторов связаны с их базами через цепочки из обмотки обратной связи и резистора. К зажиму для подключения среднего ВИП разноименными силовыми электродами подсоединены диоды, свободные силовые электроды которых соединены с зажимами для подключения крайних ВИП, связанных через дополнительные диоды с вторыми выводами первичных обмоток. Задающий трансформатор, первый вывод первичной обмотки которого соединен с зажимом для подключения среднего ВИП, а второй с вторым выводом первичной обмотки или ее отводом. Приведен блок запуска преобразователя. 5 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий трансформатор, первый вывод первичной обмотки которого соединен с зажимом для подключения среднего вывода источника питания, два транзистора, эмиттеры которых связаны с базами через цепочки из обмотки обратной связи и резистора, зажим для подключения первого крайнего вывода источника питания через первый транзистор соединен с вторым выводом первичной обмотки, зажим для подключения второго крайнего вывода источника питания подключен к первому силовому выводу второго транзистора, отличающийся тем, что введены два диода и дополнительная обмотка, к зажиму для подключения среднего вывода источника питания разнорименными силовыми электродами подсоединены упомянутые диоды и первый вывод дополнительной обмотки, второй вывод который связан с вторым силовым выводом второго транзистора, свободные силовые электроды диодов подсоединены к зажимам для подключения крайних выводов источника питания. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что введены дополнительно два диода, второй вывод дополнительной обмотки через первый дополнительный диод связан с зажимом для подключения первого крайнего вывода источника питания, а зажим для подключения второго крайнего вывода источника питания через второй дополнительный диод соединен с вторым выводом первичной обмотки. 3. Преобразователь по пп.1 и 2, отличающийся тем, что введен задающий трансформатор, первый вывод первичной обмотки которого соединен с зажимом для подключения среднего вывода источника питания, а второй с вторым выводом первичной обмотки трансформатора. 4. Преобразователь по пп.1 3, отличающийся тем, что второй вывод первичной обмотки задающего трансформатора подключен к отводу первичной обмотки трансформатора. 5. Преобразователь по пп.1 4, отличающийся тем, что дополнительно введены конденсатор, два транзистора различных типов проводимости, диод, пороговый элемент и три резистора, первый вывод конденсатора подключен к эмиттеру транзистора первого типа проводимости преобразователя, второй вывод конденсатора через запускающий резистор связан с коллектором упомянутого транзистора, а через последовательно соединенные первый резистор и первый дополнительный транзистор первого типа проводимости с базой упомянутого транзистора преобразователя, эмиттер которого через пороговый элемент соединен с базой второго дополнительного транзистора другого типа проводимости, связанной через диод и второй резистор с коллектором первого дополнительного транзистора,база которого через третий резистор соединена с коллектором второго дополнительного транзистора, эмиттер которого подключен к второму выводу конденсатора. 6. Преобразователь по пп.1 5,отличающийся тем, что что запускающий резистор зашунтирован последовательно соединенными резистором и диодом.