ИМПУЛЬСНЫЙ ИСТОЧНИК ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к средствам вторичного электропитания, которые подключаются к источникам первичного электропитания, и могут быть использованы при преобразовании постоянного тока с одним уровнем напряжения в постоянный ток с другим уровнем напряжения с промежуточным высокочастотным преобразованием, например, в источниках питания радиотехнической аппаратуры, которая предъявляет требования гальванической развязки нагрузки и первичной сети, а также в преобразователях для плазменных технологий.

В известных импульсных источниках вторичного электропитания регулирующий элемент стабилизатора напряжения (транзистор) работает в режиме переключений, поэтому значение средней за период коммутации мощности, рассеиваемой на регулирующем транзисторе, намного меньше, чем при его работе в непрерывном режиме. Поэтому КПД таких устройств достаточно высок, что делает возможным уменьшение их массогабаритных показателей. При этом наиболее распространенной импульсной системой регулирования в таких устройствах является система с широкоимпульсной модуляцией (ШИМ), в которой длительность импульсов напряжения на входе сглаживающего фильтра при постоянной частоте их следования прямо пропорциональна необходимому значению напряжения на нагрузке.

Известна схема импульсного источника вторичного электропитания с ШИМ, представляющая собой импульсный источник вторичного электропитания с бестрансформаторным входом, содержащий два полумостовых транзисторных преобразователя, связанных входами с блоком управления с ШИМ выходных сигналов, вход питания которого через фильтр подключен к выходу выпрямителя, выходы преобразователей подключены к первичной обмотке соответствующего силового трансформатора, вторичные обмотки которых через соответствующий силовой выпрямитель подключены ко входу выходного фильтра, выход которого соединен с целью нагрузки [1] Однако использование в известном устройстве ШИМ для управления транзисторами преобразователей приводит к тому, что при изменении сопротивления нагрузки от 0 до ∞, т.е. при необходимости обеспечить режим стабилизации тока в режиме К.З. на выходе, импульсы на трансформаторах становятся исчезающе короткими, что не позволяет обеспечить подзаряд конденсатора фильтра, что приводит к неустойчивой работе, вызываемой провалами в напряжении питания, вплоть до отключения устройства.

Кроме того, используемый принцип управления (ШИМ) требует сложной схемы управления при большом диапазоне изменения длительности импульса тока через транзистор преобразователя.

Обеспечение широкого диапазона изменения длительности импульсов (вплоть до исчезающе короткой длительности) наиболее просто реализуется при использовании преобразователей с фазоимпульсной модуляции, в которых длительность открытого состояния транзистора стабильна во всех режимах изменения нагрузки преобразователя от Х.Х. до К.З. [2]
Известный импульсный источник вторичного электропитания содержит мостовой транзисторный преобразователь, связанный входами с блоком управления с фазоимпульсной модуляцией выходных сигналов, вход питания которого через фильтр подключен к выходу выпрямителя, выходы преобразователя подключены к первичной обмотке силового трансформатора, вторичная обмотка которого подключена ко входу выходного фильтра, выход которого соединен с цепью нагрузки.

В этом устройстве коммутация ключей преобразователя происходит при нулевом напряжении, т.е. напряжение сток-исток любого ключевого n-канального МОП-транзистора равно нулю, когда на его затвор подается положительное отпирающее напряжение, фазовая модуляция позволяет сочетать низкие потери на переключение, характерные для резонаторных схем, с экономичностью процесса передачи мощности схем с ШИМ, работающих на постоянной рабочей частоте. В то же время несмотря на то, что в этой схеме достигнуто снижение потерь на переключение, она не позволяет обеспечить режим стабилизации тока при К.З. на выходе, т.к. в этом режиме так и в [1] не обеспечивается необходимый уровень напряжения питания блока управления.

Известен также импульсный источник вторичного электропитания, содержащий два присоединенных параллельно входным выводам однотактных мостовых преобразователя с выходными трансформаторами, первичные обмотки которых включены в диагонали переменного тока, а вторичные обмотки через однотактные выпрямители и выходной фильтр подсоединены к выходным выводам, при этом эмиттеры первых транзисторов однотактных мостовых преобразователей присоединены к отрицательному входному выводу, а коллекторы вторых транзисторов к положительному входному выводу, блок управления выполнен обеспечивающим формирование двух противофазных опорных последовательностей на базах первых транзисторов соответственно и двух противофазных регулируемых последовательностей импульсов на базах вторых транзисторов соответственно [3]
В этом устройстве обеспечивается повышение КПД и надежности, однако и данное устройство не обеспечивает неизменности уровня питания блока управления как в режиме стабилизации напряжения, так и в режиме стабилизации тока при изменении сопротивления нагрузки от ∞ до 0.

Задачей изобретения является обеспечение неизменности уровня питания блока управления как в режиме стабилизации напряжения, так и в режиме стабилизации тока при изменении сопротивления нагрузки от ∞ до 0.

Решение поставленной задачи обеспечивается в предлагаемом импульсном источнике вторичного электропитания, содержащем два присоединенных параллельно входным выводам однотактных мостовых преобразователя с выходными трансформаторами, первичные обмотки которых включены в диагонали переменного тока, а вторичные обмотки через однотактные выпрямители и выходной фильтр подсоединены к выходным выводам, при этом эмиттеры первых транзисторов однотактных мостовых преобразователей присоединены к отрицательному входному выводу, а коллекторы вторых транзисторов к положительному входному выводу, а блок управления выполнен обеспечивающим формирование двух противофазных опорных последовательностей импульсов на базах первых транзисторов соответственно и двух противофазных регулируемых последовательностей импульсов на базах вторых транзисторов соответственно, введением дополнительного трансформатора, выводы первичной обмотки которого присоединены к одноименным выводам первичных обмоток выходных трансформаторов однотактных мостовых преобразователей, а вторичная обмотка через введенные выпрямитель и фильтр присоединена к выводам питания блока управления, при этом блок управления выполнен обеспечивающим фазоимпульсную модуляцию формируемых двух противофазных регулируемых последовательностей импульсов относительно двух противофазных опорных последовательностей импульсов. В предлагаемом импульсном источнике вторичного электропитания блоком управления, как и в прототипе, формируются четыре управляющие последовательности импульсов: две опорные (меандры), сдвинутые друг относительно друга на 1/2 периода, и две регулируемые меандры, сдвинутые относительно опорных на интервал времени, зависящий от необходимого уровня выходной мощности Р. При Р_max сдвиг между регулируемыми и опорными меандрами τ 0, а при Р 0, τ τ /2, где Т период следования импульсов. При этом две сформированные последовательности, одна опорная, и другая регулируемая (от 0 до 1/2) относительно данной опорной последовательности подаются на базы соответственно первого и второго транзисторов одного однотактного мостового преобразователя, и аналогичные последовательности, сдвинутые относительно первой пары последовательностей, подаются на базы соответственно первого и второго транзисторов другого однотактного мостового преобразователя. При этом благодаря построению преобразователей по однотактной мостовой схеме на коллекторах первых транзисторов своих преобразователей формируются последовательности прямоугольных импульсов типа меандра, подаваемые на дополнительный трансформатор. Поскольку сигналы управления первых транзисторов однотактных мостовых преобразователей определяются опорными последовательностями, которые строго противофазны, то вне зависимости от режима изменения нагрузки (от 0 до ∞) на первичной обмотке дополнительного трансформатора формируются импульсы напряжения типа меандра с амплитудой, равной напряжению питания однотактных мостовых преобразователей, т.е. достигается постоянство уровня питания блока управления, т.е. при необходимости обеспечить в наиболее сложном режиме стабилизации тока в режиме короткого замыкания на выходе длительность импульсов разностного сигнала, выделенного с помощью дополнительного трансформатора, с транзисторов обоих однотактных мостовых преобразователей и подаваемого через выпрямитель и фильтр на блок управления, остается постоянной и близкой к Т/2.

Таким образом уровень сигнала, снимаемого с выхода фильтра для получения напряжения питания блока управления остается неизменным как в режиме стабилизации напряжения, так и в режиме стабилизации тока.

Следует отметить, что предпочтительным является подключение первичной обмотки дополнительного трансформатора к коллекторам первых транзисторов однотактных мостовых транзисторных преобразователей, т.к. при подключении первичной обмотки дополнительного трансформатора к эмиттерам вторых транзисторов однотактных мостовых транзисторных преобразователей возможно насыщение сердечников дополнительного трансформатора в переходных режимах из-за несимметричности напряжений на его первичной обмотке.

На фиг.1 приведена схема предлагаемого импульсного источника вторичного электропитания для случая подключения первичной обмотки дополнительного трансформатора к коллекторам первых транзисторов однотактных мостовых транзисторных преобразователей; на фиг.2 принципиальная схема подключения выпрямителей к фильтру и к вторичным обмоткам силовых трансформаторов однотактных мостовых тразисторных преобразователей; на фиг.3 временные диаграммы, поясняющие работу схемы.

Устройство содержит блок управления 1, первый 2 и второй 3 однотактные мостовые транзисторные преобразователи, вторичные обмотки силовых трансформаторов каждого из которых подключены ко входу силового выпрямителя 4 и 5 соответственно, выходы которых соединены с входом выходного фильтра 6, подключенного к цепи нагрузки, коллекторы первого транзистора каждого из преобразователей соединены с выводами первичной обмотки дополнительного трансформатора 7, вторичная обмотка которого подключены ко входу выпрямителя 8, выход которого соединен со входом фильтра 9, выход которого подключен к входу питания блока управления 1, выходы первой и второй опорных последовательностей импульсов подключены соответственно к базам первых транзисторов первого 2 и второго 3 однотактных мостовых транзисторных преобразователей, базы вторых транзисторов которых соединены с выходами первой и второй задержанных последовательностей импульсов блока управления и соответственно, коллекторы второго транзистора первого 2 и второго 3, а эмиттеры первых транзисторов первого 2 и второго 3 однотактных мостовых транзисторных преобразователей соединены с отрицательной шиной питания.

Работу предлагаемого устройства поясним с помощью временных диаграмм и рассмотрим для двух режимов: режима отдачи мощности и режима К.З.

При работе в режиме отдачи мощности блок управления 1 вырабатывает четыре последовательности импульсов две опорные (фиг.3,а,в) и две задержанные (фиг. 3, б, г). Опорные последовательности импульсов подаются на базы первых транзисторов однотактных мостовых транзисторных преобразователей 2, 3, а задержанные последовательности импульсов на базы вторых транзисторов однотактных мостовых транзисторных преобразователей 2, 3 и в результате на силовом трансформаторе каждого однотактного мостового транзисторного преобразователя формируются прямоугольные импульсы, длительность которых зависит от сдвига задержанных последовательностей относительно опорных. Эти импульсные последовательности выпрямляются соответствующим из выпрямителей 4, 5 и на их выходе имеем последовательность импульсов (фиг.3,д). При этом на коллекторах первых транзисторов однотактных мостовых транзисторных преобразователей 2, 3 имеем противофазные импульсные последовательности, которые подаются на первичную обмотку дополнительного трансформатора 7 (фиг.3,е). Этот сигнал, снимаемый со вторичной обмотки дополнительного трансформатора 7 после двухполупериодного выпрямления выпрямителем 8 имеет вид (фиг.3,ж). Далее этот сигнал поступает через фильтр 9 на вход питания блока управления 1 (фиг.3, з).

При работе в режиме К.З. импульсы, формируемые на входе фильтра 6 (фиг. 3,д), становятся "исчезающе короткими" по длительности, в то время как сигнал, формируемый на дополнительном трансформаторе 7, (фиг.3,е) остается практически неизменным.

Использование: в источниках питания радиоаппаратуры. Сущность изобретения: устройство содержит два однотактных мостовых транзисторных преобразователя, связанных с блоком управления с фазоимпульсной модуляцией выходных сигналов, вход питания которого через фильтр подключен к выходу выпрямителя. Вторичные обмотки силовых трансформаторов обоих однотактных мостовых транзисторных преобразователей подключены через соответствующий силовой выпрямитель к входу выходного фильтра. Выводы первичной обмотки дополнительного трансформатора подключены к одноименным выводам первичной обмотки силового трансформатора первого и второго однотактных мостовых транзисторных преобразователей, а вторичная обмотка подключена к входу выпрямителя. 3 ил.

ИМПУЛЬСНЫЙ ИСТОЧНИК ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ, содержащий два присоединенных параллельно входным выводам однотактных мостовых преобразователя с выходными трансформаторами, первичные обмотки которых включены в диагонали переменного тока, а вторичные обмотки через однотактные выпрямители и выходной фильтр подсоединен к выходным выводам, при этом эмиттеры первых транзисторов однотактных мостовых преобразователей присоединены к отрицательному входному выводу, а коллекторы вторых транзисторов к положительному входному выводу, блок управления выполнен обеспечивающим формирование двух противофазных опорных последовательностей импульсов на базах первых транзисторов соответственно и двух противофазных регулируемых последовательностей импульсов на базах вторых транзисторов соответственно, отличающийся тем, что в него введен дополнительный трансформатор, выводы первичной обмотки которого присоединены к одноименным выводам первичных обмоток выходных трансформаторов однотактных мостовых преобразователей, а вторичная обмотка через введенные выпрямитель и фильтр присоединена к выводам питания блока управления, при этом блок управления выполнен обеспечивающим фазоимпульсную модуляцию формируемых двух противофазных регулируемых последовательностей импульсов относительно двух противофазных опорных последовательностей импульсов.