ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к источнику питания, который вырабатывает выходное напряжение с широтно-импульсной модуляцией на вторичной стороне трансформатора в ответ на операцию включения-выключения основного управляемого ключа на первичной стороне трансформатора в рабочем режиме.

Известен источник питания, работающий в переключающем режиме, который вырабатывает выходное напряжение с широтно-импульсной модуляцией на вторичной стороне трансформатора в ответ на операцию включения-выключения первичной стороны трансформатора в рабочем режиме. В настоящее время он широко применяется в электрических устройствах, предназначенных для обработки информации и аналогичных задач. Причиной этого является то, что переключающая схема такого источника питания может быть выполнена небольшой и имеет высокую эффективность. В нем источник постоянного тока соединен с первичной обмоткой трансформатора через переключатель. Диод и выходной конденсатор соединены последовательно с вторичной обмоткой трансформатора, а нагрузка соединена параллельно выходному конденсатору. Во время работы, когда режим включения-выключения переключателя управляется, полученное рабочее соотношение также регулируется, так что прямоугольное напряжение с широтно-импульсной модуляцией вырабатывается на вторичной обмотке трансформатора.

Известен источник питания, в котором основной ключ в виде полевого транзистора и диод обладают паразитными емкостями (порядка нескольких сотен пикофарад плюс несколько десятков нанофарад, а первичная и вторичная обмотки трансформатора имеют индуктивности утечки порядка нескольких микрогенри. В частности, паразитная емкость между стоком и истоком ключа составляет несколько десятков нанофарад плюс несколько сотен пикофарад. Индуктивности утечки первичной обмотки и вторичной обмотки трансформатора составляют порядка несколько микрогенри.

Когда ключ открыт, энергия запасается в индуктивности утечки трансформатора за счет тока через ключ и первичную обмотку трансформатора. Как только ключ закрывается, энергия, запасенная в индуктивности трансформатора утечки, разряжается через паразитную емкость сток-исток ключа в виде сквозного тока через него, а между индуктивностью утечки и паразитной емкостью возникают колебания. Аналогичное колебание создается в схеме индуктивности утечки трансформатора и паразитной емкости диода. Напряжение такого колебания или перенапряжения ввиду паразитного реактивного сопротивления иногда в 2-3 раза превышает напряжение источника постоянного тока, и такая большая волна перенапряжения является вредной для переключающих элементов и обмоток трансформатора. Для предотвращения возникновения высокой волны перенапряжения элементы для подавления быстрого изменения напряжения типа демпферных схем, составленных из последовательных схем, имеющих резисторы и конденсаторы, соединены параллельно переключающим элементам.

Однако известные способы защиты от перенапряжения обладают недостатками, заключающимися в том, что невозможно полностью предотвратить возникновение волны перенапряжения, а потребление энергии в демпферных схемах увеличивается с возрастанием частоты переключения и соответственно увеличивается тепловыделение на резисторах демпферных схем.

Целью изобретения является решение указанных проблем за счет создания усовершенствованного источника питания, в котором возникновение перенапряжения предотвращается за счет схемы простой конструкции. С помощью изобретения обеспечивается высокая эффективность питания даже при больших частотах переключения.

Другой целью изобретения является создание источника питания, содержащего преобразователь постоянного напряжения с трансформатором, имеющим первичную обмотку и вторичную обмотку, основной управляемый ключ, подключенный между входными выводами последовательно с первичной обмоткой трансформатора, шунтирующую схему, подключенную параллельно основному управляющему ключу и выполненную из последовательно соединенных первого вспомогательного управляемого ключа и конденсатора, причем вспомогательный управляемый ключ выполнен с проводимостью, противоположной проводимости соответствующего вспомогательного управляемого ключа, а управляющие входы подключены к блоку управления с противофазным включением, величина емкости конденсатора шунтирующей схемы по крайней мере в десять раз больше, чем паразитная емкость основного управляемого ключа.

Блок управления содержит базовую обмотку, подключенную через введенный резистор к управляющему входу вспомогательного управляемого ключа.

Введена упомянутая шунтирующая схема, подключенная параллельно каждому выпрямительному диоду, причем блок управления обеспечивает противофазное включение с паузой на время переключения выпрямительного управляемого диода и вспомогательно управляемого ключа шунтирующей схемы, при этом величина емкости конденсатора шунтирующей схемы в десять раз больше, чем величина паразитной емкости выпрямительного диода.

Введены по крайней мере один второй основной управляемый ключ и третья шунтирующая схема, подключенные параллельно вторичной обмотке трансформатора, при этом блок управления обеспечивает противофазное включение первого основного управляемого ключа и одного из двух ключей вторичной стороны трансформатора либо выпрямительного диода, либо второго основного ключа при обеспечении паузы на время переключения указанных ключей.

На фиг.1 изображена принципиальная схема источника питания в соответствии с изобретением; на фиг.2 4 принципиальные схемы примеров реализации источника питания в соответствии с изобретением, где 1 источник постоянного тока, 2 основной управляемый ключ, 3 трансформатор с первичной 3а и вторичной 3b обмотками, 4 выпрямительный диод, 5 выходной конденсатор, 6 нагрузка, 7 первый вспомогательный ключ, 8 конденсатор первой шунтирующей схемы, 9 вспомогательный ключ второй шунтирующей схемы, 10 конденсатор второй шунтирующей схемы, 11 второй основной управляемый ключ, 12 третий вспомогательный управляемый ключ, 13 конденсатор третьей шунтирующей схемы, 14 блок управления.

На фиг.1 основной управляемый ключ 2 подсоединен между источником 1 постоянного тока и первичной обмоткой 3a трансформатора 3. В этом примере основным управляемым ключом 2 является полевой транзистор. Выпрямительный диод 4 вторичной стороны подсоединен между вторичной обмоткой 3b трансформатора 3 и выходным конденсатором 5. Нагрузка 6 подключена на выходной конденсатор 5. В данном варианте важно предотвратить возникновение перенапряжения во время переключения основного управляемого ключа 2 за счет подсоединения первой шунтирующей схемы, причем указанная схема является последовательной схемой, состоящей из конденсатора 8 и вспомогательного управляемого ключа 7. Ключ 7 является полевым транзистором.

Предпочтительно вторая шунтирующая схема подключена к выпрямительному диоду 4 вторичной стоpоны, причем вторая шунтирующая схема вторичной стороны является последовательной схемой, составленной из конденсатора 10 и второго вспомогательного управляемого ключа 9. В качестве ключа 9 применен полевой транзистор.

Основной управляемый ключ 2 и оба вспомогательных ключа 7 и 9 соединены с блоком 14 управления. Блок 14 выбран таким, что когда основной ключ 2 включен или оказывается проводящим, вспомогательный ключ 7 выключен или сделан непроводящим и наоборот. Аналогично, когда переключающий элемент 4 вторичной стороны типа диода включен или открыт, то вспомогательный ключ 9 типа полевого транзистора включен или сделан непроводящим, а когда переключающий элемент 4 вторичной стороны выключен или сделан непроводящим, то вспомогательный ключ 9 включен или сделан проводящим.

Статическая емкость конденсатора 8 в первой шунтирующей схеме для основного ключа 2 типа полевого транзистора превышает по меньшей мере в десять раз и предпочтительно в несколько десятков раз паразитную емкость основного ключа 2. Например, статическая емкость конденсатора 8 может быть выбрана порядка 0,1 мкФ. Аналогично статическая емкость конденсатора 10 в шунтирующей схеме для переключающего элемента 4 вторичной стороны типа диода превышает по меньшей мере в десять раз и предпочтительно в несколько десятков раз паразитную емкость переключающего элемента 4 вторичной стороны.

Во время работы в условиях регулирования со стороны блока 14 управления основной ключ 2 повторяет операции переключения с заданной частотой повторения и во вторичной обмотке 3b трансформатора 3 наводится прямоугольное напряжение с широтно-импульсной модуляцией. Всякий раз, когда ключ 2 выключается или делается непроводящим, вспомогательный ключ 7 включается или делается проводящим так, что происходит короткое замыкание основного ключа 2 за счет низкого импеданса на малых частотах.

Конденсатор 8 в шунтирующей схеме для ключа 2 имеет статическую емкость, которая по меньшей мере в десять раз, предпочтительно в несколько десятков раз, больше паразитной емкости ключа 2. Когда основной ключ 2 выключен и наводится резонанс, то резонансная частота схемы первичной обмотки трансформатора 3 становится ниже одной паразитной емкости ключа 2. Следовательно, даже если между конденсатором 8 и индуктивностью утечки первичной обмотки 3а трансформатора возникает резонанс, резонансная частота составляет только около одной десятой или меньше, чем без шунтирующей схемы, имеющей конденсатор 8, а напряжение на ключе 2 сохраняется постоянным.

С другой стороны, когда ключ 2 включается или делается проводящим из непроводящего состояния, вспомогательный ключ 7 выключается и напряжение конденсатора 8 удерживается на уровне выключения. Таким образом, в конденсаторе 8 не происходит потерь мощности, когда основной ключ 2 является проводящим.

Вторая шунтирующая схема переключающего элемента 4 вторичной стороны или диод функционирует аналогично. Когда переключающий элемент 4 вторичной стороны выключается из проводящего состояния, вспомогательный ключ 9 включается так, что запирается шунтирующая схема посредством конденсатора 10, имеющего большую статическую емкость. Следовательно, даже если между конденсатором 10 шунтирующей схемы и индуктивностью, утечки вторичной обмотки 3b трансформатора наводится резонанс, резонансная частота оказывается очень малой, а напряжение на переключающем элементе 4 вторичной стороны поддерживается постоянным и предотвращается возникновение перенапряжения.

В примере на фиг.2 представлен другой тип источника питания с шунтирующей схемой. Основной управляемый ключ 2 соединен с первичной стороной трансформатора 3. Переключающие элементы 11 вторичной стороны установлены с вторичной стороны трансформатора 3, т.е. переключающий элемент 4 включен последовательно с вторичной обмоткой 3b трансформатора, а переключающий элемент 11 шунтирует вторичную обмотку 3b трансформатора 3.

Переключающий элемент 11 вторичной стороны управляется блоком 14 управления, аналогичным показанному на фиг.1, и обеспечивает работу в противоположной фазе относительно основного управляемого ключа 2, а именно когда один из двух переключающих элементов является проводящим, другой оказывается непроводящим. Переключающий элемент 4 вторичной стороны управляется так, что его работа соответствует работе основного ключа 2. В новом типе источника питания каждый из переключающих элементов 2, 4, 11 имеют шунтирующую схему, образованную из конденсаторов 9, 10, 13 и вспомогательных ключей 7, 9, 12 (например, полевые транзисторы), соединенных последовательно. Такие шунтирующие схемы являются эффективными для предотвращения возникновения упомянутого выше явления перенапряжения.

На фиг.3 напряжение переменного тока создается инверторной схемой, напряжение переменного тока подается на трансформатор, переключающие элементы (диоды) 4 вторичной стороны выпрямляют наведенное на вторичной стороне напряжение так, чтобы получилось на выходе напряжение постоянного тока. Каждый из основных ключей 2 (т.е. инверторное переключатели) и переключающий элемент 4 вторичной стороны имеют шунтирующую схему, которая образована из последовательной схемы, имеющей конденсаторы 10 и вспомогательные ключи 9 (например, полевой транзистор). Шунтирующие схемы являются эффективными для предотвращения возникновения перенапряжения во время операции переключения.

На фиг.4 показан другой источник питания, который также содержит инвертор. Напряжение переменного тока вырабатывается инверторной схемой с полным мостом, напряжение переменного тока подается на трансформатор, переключающие элементы (диоды) 4 вторичной стороны выпрямляют наведенное вторичное напряжение так, чтобы получилось выходное напряжение постоянного тока. Все переключающие элементы 7, 9 соединены с блоком 14 управления, аналогичным элементу 14 на фиг.1. Инверторные ключи 2 управляются так, чтобы образовались пары, в которой один переключающий элемент является проводящим, а другой переключающий элемент является непроводящим. Блок 14 включает ключи 2, регулируя разность фаз между обеими парами ключей 2 так, чтобы регулировалась ширина импульса выхода с широтно-импульсной модуляцией трансформатора 3.

В примере реализации, показанном на фиг.4, каждый из ключей 2 и переключающих элементов 4 вторичной стороны имеет шунтирующие схемы, которые образованы из последовательной схемы, имеющей конденсаторы 8, 10 большой емкости и вспомогательные ключи 7, 9 (например, полевой транзистор). Такие шунтирующие схемы предотвращают возникновение перенапряжения во время операции переключения.

Изобретение не ограничивается приведенными примерами реализации, возможны различные изменения и модификации. Например, полевой транзистор, который применен в качестве переключающего элемента, может быть заменен биполярным транзистором или тиристором.

Как описано, когда каждый из основных управляемых ключей и переключающих элементов вторичной стороны выключается в непроводящее состояние, он шунтируется низкоимпедансной схемой с малой резонансной частотой, причем это шунтирование эффективно для предотвращения возникновения волны перенапряжения. За счет этого возрастает КПД источника питания, а шум переключения уменьшается, так что улучшается долговечность различных схемных элементов. Кроме того, с помощью изобретения облегчается использование более высокой частоты переключения источника питания по сравнению с известными источниками питания.

Источник питания содержит источник 1 постоянного тока, соединенный с первичной стороной трансформатора 3 через основной управляемый ключ 2, переключающий шунтирующую схему, соединенную параллельно с основным ключом 2. Шунтирующие схемы являются последовательной схемой, имеющей вспомогательный управляемый клюк 7, 9, 12 и конденсатор 8, 10, 13. Блок 14 управления соединен с ключами 7, 9, 12. Вспомогательный ключ 7, 9, 12 и конденсатор 8, 10, 13 в шунтирующей схеме выбирают такими, чтобы шунтирующая схема имела малый импеданс при малой частоте переключения основного управляемого ключа 2. 3 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ, выполненный на преобразователе постоянного напряжения, содержащем трансформатор, имеющий по крайней мере одну первичную и по крайней мере одну вторичную обмотку, подключенную к выходным выводам через соответствующий выпрямительный диод, по крайней мере, один первый основной управляемый ключ, подключенный между входными выводами, последовательно с первичной обмоткой трансформатора, первую шунтирующую схему, подключенную параллельно основному управляемому ключу и выполненную из последовательно соединенных первого вспомогательного управляемого ключа и конденсатора, причем вспомогательный управляемый ключ выполнен с проводимостью, противоположной проводимости соответствующего первого основного управляемого ключа, управляющие входы которых подключены к блоку управления с противофазным включением, отличающийся тем, что величина емкости конденсатора шунтирующей схемы, по крайней мере в десять раз больше, чем паразитная емкость основного управляемого ключа. 2. Источник питания по п.1, отличающийся тем, что введена базовая обмотка, подключенная через введенный резистор к управляющему входу вспомогательного управляемого ключа. 3. Источник питания по п.1, отличающийся тем, что введена вторая шунтирующая схема, подключенная параллельно каждому выпрямительному диоду, причем блок управления обеспечивает противофазное включение с паузой на время переключения выпрямительного диода и вспомогательного управляемого ключа второй шунтирующей схемы, причем величина емкости конденсатора указанной шунтирующей схемы в десять раз больше, чем величина паразитной емкости выпрямительного диода. 4. Источник питания по пп.1 и 3, отличающийся тем, что введены по крайней мере один второй основной управляемый ключ и третья шунтирующая схема, подключенные параллельно вторичной обмотке трансформатора, блок управления обеспечивает противофазное включение первого основного управляемого ключа и одного из двух ключей вторичной стороны трансформатора либо выпрямительного диода, либо второго основного управляемого ключа при обеспечении паузы на время переключения указанных ключей.