ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК H02M3/337 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано во вторичных источниках питания.

Известен конвертер (авт. св. СССР N 1274087, кл. Н 02 М 3/335, 1986), содержащий параллельно соединенные относительно двух шин постоянного входного напряжения цепочку последовательно соединенных первого и второго конденсаторов и последовательно соединенных в токовую управляемую цепочку первого и второго транзисторов (в аналоге усилитель мощности), два трансформатора, последовательно соединенные первичные обмотки которых включены между точкой соединения первого и второго конденсаторов, с одной стороны, и точкой соединения первого и второго транзисторов, с другой стороны, причем вторичная обмотка одного из трансформаторов через выпрямительный диод и сглаживающий фильтр соединена с элементом нагрузки.

Недостатком известного конвертера является весьма сложная схема управления и защиты транзисторов, содержащая более десяти логических элементов.

Наиболее близким к предлагаемому является полумостовой резонансный автогенератор (Сборник. / Под ред. Ю.И. Конева. Электронная техника в автоматике. М. Радио и связь, 1986, выпуск 17 (рис. 2 на с. 138), содержащий параллельно соединенные относительно двух шин постоянного входного напряжения цепочку последовательно соединенных первого и второго конденсаторов и последовательно соединенных в токовую управляемую цепочку первого и второго транзисторов, трансформатор тока, первый выходной трансформатор, первый и второй диоды, сглаживающий фильтр и элемент нагрузки, причем входы первичной обмотки трансформатора тока являются входами управления преобразователя напряжения, конец первой и начало второй вторичных обмоток трансформатора тока соединены между собой и с точкой соединения эмиттера первого и коллектора второго транзисторов, конец второй вторичной обмотки трансформатора тока соединен с началом первичной обмотки первого выходного трансформатора, начало вторичной обмотки которого соединено через прямовключенный первый диод и сглаживающий фильтр с первым входом элемента нагрузки, второй вход которого соединен через общую шину с концом вторичной обмотки первого выходного трансформатора, начало третьей вторичной обмотки трансформатора тока соединено с эмиттером второго транзистора и с минусовой шиной постоянного входного напряжения, плюсовая шина которого соединена с коллектором первого транзистора.

Недостатками известного устройства являются относительно низкий его коэффициент полезного действия (КПД) и сложность. При этом низкий КПД обусловлен существенными потерями энергии в сложном выходном трансформаторе, а также в транзисторах из-за использования относительно медленной схемы их переключения. Значительные потери в выходном трансформаторе вызваны необходимостью иметь относительно большую мощность индуктивного рассеивания в его первичной обмотке, чтобы обеспечить резонансный контур вместе с соответствующими конденсаторами. Это уменьшает коэффициент связи между первичной и вторичной обмотками указанного трансформатора, что позволяет передать на выход энергию с большими потерями.

Переусложнение известного устройства связано с использованием в нем многообмоточного выходного трансформатора, причем с обеспечением определенной мощности индуктивного рассеивания для образования резонансного контура. Это, естественно, ухудшает технологичность и ремонтопригодность устройства и, как следствие, стоимость его изготовления и эксплуатации.

Кроме того, известное устройство в связи с указанными выше потерями энергии является источником электромагнитных помех.

Целью изобретения является повышение КПД преобразователя напряжения, уменьшение его электромагнитных помех.

Цель достигается тем, что используемый в прототипе сложный многообмоточный выходной трансформатор заменяется на два простых однотипных двухобмоточных трансформатора, вводятся третий конденсатор, соединяющий точку соединения первого и второго конденсаторов с точкой соединения первого и второго транзисторов, третий и четвертый диоды, соединяющие обратным включением соответственно у первого и второго транзисторов эмиттер с коллектором.

Кроме того, в любом месте резонансного контура включена первичная обмотка второго трансформатора тока, вторичная обмотка которого связана с дополнительной вторичной обмоткой первого трансформатора тока, а в цепь базы каждого транзистора добавлены корректирующие цепочки, состоящие из разделительных, прямовключенных диодов, пропускающих только в одну сторону постоянную составляющую тока и соединенного параллельно с ними четвертого (пятого для второго транзистора) конденсатора, для прохождения переменной составляющей тока управления транзисторов.

Указанные отличительные признаки обеспечивают повышение быстродействия переключения транзисторов, снижая потери энергии и уменьшая электромагнитные помехи. Пропорционально этому повышается КПД устройства.

Как показали экспериментальные исследования, проведенные автором, КПД на частотах переключения более 100 кГц удается повышать на 7-10%
Это является техническим результатом изобретения.

Цель достигается также тем, что в преобразователь напряжения, содержащий параллельно соединенные относительно двух шин постоянного входного напряжения цепочку последовательно соединенных первого и второго конденсаторов и последовательно соединенных в токовую управляемую цепочку первого и второго транзисторов, первый трансформатор тока, первый выходной трансформатор, первый и второй диоды, сглаживающий фильтр, причем выводы первичной обмотки первого трансформатора тока использованы в качестве входа управления преобразователя напряжения, конец первой и начало второй вторичных обмоток первого трансформатора тока соединены между собой и с точкой соединения эмиттера первого и коллектора второго транзисторов, конец второй вторичной обмотки первого трансформатора тока соединен с началом первичной обмотки первого выходного трансформатора, начало вторичной обмотки которого соединено через прямовключенный диод и сглаживающий фильтр с первым выводом для подключения нагрузки, а конец вторичной обмотки первого выходного трансформатора соединен с вторым выводом для подключения нагрузки и с общей шиной, начало третьей вторичной обмотки первого трансформатора тока соединено с эмиттером второго транзистора и с минусовой шиной постоянного входного напряжения, а коллектор первого транзистора подключен к плюсовой шине постоянного входного напряжения, введены второй трансформатор тока, второй выходной трансформатор, третий и четвертый транзисторы, три конденсатора и десять диодов, причем конец первичной обмотки второго выходного трансформатора соединен с концом первичной обмотки первого выходного трансформатора, начало первичной обмотки второго выходного трансформатора соединено с точкой соединения первого и второго конденсаторов и с первым выводом третьего конденсатора, второй вывод которого соединен с точкой соединения эмиттера первого и коллектора второго транзисторов, начало и конец вторичной обмотки второго выходного трансформатора соответственно соединены с первым выводом для подключения нагрузки через прямовключенный диод и сглаживающий фильтр и с вторым выводом для подключения нагрузки, анод и катод третьего диода соединены соответственно с эмиттером и коллектором первого транзистора, анод и катод четвертого диода соединены соответственно с эмиттером и коллектором второго транзистора, начало первой вторичной обмотки первого трансформатора тока соединено через параллельно соединенные четвертый конденсатор и последовательно соединенные прямовключенные пятый и шестой диоды с базой первого транзистора, точка соединения пятого и шестого диодов через прямовключенный седьмой диод соединена с коллектором первого транзистора, конец третьей вторичной обмотки первого трансформатора тока соединен через параллельно соединенные пятый конденсатор и последовательно соединенные прямовключенные восьмой и девятый диоды с базой второго транзистора, точка соединения восьмого и девятого диодов через прямовключенный десятый диод соединена с коллектором второго транзистора, первичная обмотка второго трансформатора тока включена последовательно в любом месте резонансного контура, состоящего из последовательно соединенных первичных обмоток первого и второго выходных трансформаторов, второй вторичной обмотки первого трансформатора тока и третьего конденсатора, причем первичная обмотка второго трансформатора тока включена встречно с обмотками, входящими в состав резонансного контура, начало вторичной обмотки второго трансформатора тока соединено с базами третьего и четвертого транзисторов, а ее конец с эмиттерами этих транзисторов и с концом любой из вторичных обмоток первого трансформатора тока, при этом начало используемой обмотки соединено через прямовключенный одиннадцатый диод с коллектором третьего транзистора и через обратновключенный двенадцатый диод с коллектором четвертого транзистора, а конец с точкой соединения эмиттеров третьего и четвертого транзисторов, причем третий и четвертый транзисторы имеют проводимость соответственно n-p-n и p-n-p типа.

Без использования второго трансформатора тока возникает опасная ситуация одновременно открытых первого и второго транзисторов, через которые в этом случае течет ток короткого замыкания, приводящий к их отказу.

Этот недостаток может быть устранен, если ввести более сильную обратную блокирующую связь в одну из уже используемых (или дополнительную) обмоток трансформатора тока из резонансного контура, образованного третьим конденсатором вместе с первичными обмотками выходных трансформаторов. Для этого в любую точку резонансного контура можно включить последовательно датчик тока.

При этом в качестве датчика тока с различной степенью получаемого эффекта могут быть использованы простейшие элементы (типа: нелинейный элемент или обычный резистор) без применения дополнительной гальванической обратной связи от этого элемента к обмоткам трансформатора тока.

Наибольшую степень получаемого эффекта дает датчик тока, представляющий собой узел, обеспечивающий усилие сигнала и гальваническую обратную связь резонансного контура с одной из уже используемых обмоток трансформатора тока или дополнительной обмоткой. В качестве такого датчика тока может быть, например, использованы второй трансформатор тока, первичная обмотка которого последовательно включена в любой точке резонансного контура, а вторичная обмотка которого через транзисторный ключ непосредственно к одной из обмоток первого трансформатора тока.

На фиг.1 представлена электрическая принципиальная схема примера реализации преобразователя напряжения; на фиг.2 эпюры напряжений; на фиг.3 - то же, что на фиг.1.

Преобразователь напряжения содержит первый и второй конденсаторы 1 и 2, первый и второй транзисторы 3 и 4, трансформатор 5 тока, первый выходной трансформатор 6, первый и второй диоды 7 и 8, сглаживающий фильтр 9, содержащий индуктивность 9.1 и емкость 9.2, элемент 10 нагрузки, второй выходной трансформатор 11, третий, четвертый и пятый конденсаторы 12, 13 и 14, третий-десятый диоды 15-22, входы управления 23 и 24 и шины постоянного входного напряжения 25 и 26.

Кроме того, преобразователь напряжения дополнительно содержит датчик 27 тока, содержащий в свою очередь первичную обмотку 27.1 и вторичную обмотку 27.2 второго трансформатора тока, третий и четвертый транзисторы 27.3 и 27.4 и диоды 27.5 и 27.6 (фиг.3). Причем начало первичной обмотки 27.1 второго трансформатора тока соединено с началом первичной обмотки 6.1, а конец первичной обмотки 27.1 с концом второй вторичной обмотки 5.3 первого трансформатора 5 тока. Начало вторичной обмотки 27.2 второго трансформатора тока соединено с базами третьего и четвертого транзисторов 27.3 и 27.4, а ее конец с эмиттерами этих транзисторов и с концом четвертой (дополнительной) обмотки 5.5 первого трансформатора тока 5. Начало дополнительной обмотки 5.5 первого трансформатора тока 5 соединено через прямовключенный диод 27.5 с коллектором третьего транзистора 27.3 и через обратновключенный диод 27.6 с коллектором четвертого транзистора 27.4. Третий и четвертый транзисторы 27.3 и 27.4 имеют разную проводимость, соответственно n-p-n и p-n-p.

Трансформатор 5 тока содержит первичную обмотку 5.1 и первую, вторую и третью вторичные обмотки соответственно 5.2, 5.3 и 5.4. Первый и второй выходные трансформаторы 6 и 11 содержат первичные обмотки 6.1 и 11.1 и вторичные обмотки 6.2 и 11.2 соответственно.

Элемент 10 нагрузки, включенный в состав преобразователя, может также не входить в него.

Начала обмоток трансформаторов на фиг.1 обозначены точкой.

Относительно двух шин 25 и 26 постоянного входного напряжения параллельно соединены цепочка последовательно соединенных первого и второго конденсаторов 1 и 2 и последовательно соединенные в токовую управляемую цепочку первый и второй транзисторы 3 и 4. Выводы первичной обмотки 5.1 трансформатора 5 тока являются входами 23 и 24 управления преобразователя напряжения. Конец первой и начало второй вторичных обмоток 5.2 и 5.3 трансформатора 5 тока соединены между собой и с точкой соединения эмиттера первого 3 и коллектора второго 4 транзисторов. Конец второй вторичной обмотки 5.3 трансформатора 5 соединен с началом первичной обмотки 6.1 первого выходного трансформатора 6, начало вторичной обмотки 6.2 которого соединено через прямовключенный первый диод 7 и сглаживающий фильтр 9 с первым входом элемента 10 нагрузки, второй вход которого соединен через общую шину (на фиг.1 корпус) с концом вторичной обмотки 6.2 первого выходного трансформатора 6. Начало третьей вторичной обмотки 5.4 трансформатора 5 соединено с эмиттером второго транзистора 4 и с минусовой шиной 26 постоянного входного напряжения, плюсовая шина 25 которого соединена с коллектором первого транзистора 3.

Конец первичной обмотки 11.1 второго выходного трансформатора 11 соединен с концом первичной обмотки 6.1 первого выходного трансформатора 6. Начало первичной обмотки 11.1 второго выходного трансформатора 11 соединено с точкой соединения первого и второго конденсаторов 1 и 2 и с первым выводом третьего конденсатора 12, второй вывод которого соединен с точкой соединения эмиттера первого 3 и коллектора второго 4 транзисторов. Начало и конец вторичной обмотки 11.2 второго выходного трансформатора 11 соответственно соединены через прямовключенный второй диод 8 со входом сглаживающего фильтра 9 и с общей шиной преобразователя.

Анод и катод третьего диода 15 соединены соответственно с эмиттером и коллектором первого транзистора 3, анод и катод четвертого диода 16 соединены соответственно с эмиттером и коллектором второго транзистора 4.

Начало первой вторичной обмотки 5.2 трансфоpматора 5 соединено через параллельно соединенные четвертый конденсатор 13 и последовательно соединенные прямовключенные пятый и шестой диоды 17 и 18 с базой первого транзистора 3. Общая точка соединения пятого и шестого диодов 17 и 18 через прямовключенный седьмой диод 19 соединена с коллектором первого транзистора 3.

Конец третьей вторичной обмотки 5.4 трансформатора 5 соединен через параллельно соединенные пятый конденсатор 14 и последовательно соединенные прямовключенные восьмой и девятый диоды 20 и 21 с базой второго транзистора 4. Общая точка соединения восьмого и девятого диодов 20 и 21 через прямовключенный десятый диод 22 соединена с коллектором второго транзистора 4.

Все использованные в преобразователе напряжения элементы являются стандартными и широко применяются в промышленности. Они также широко взаимозаменяемы по типажу в зависимости от требуемой мощности преобразователя и других его характеристик.

Преобразователь напряжения работает следующим образом.

При подаче на входы управления 23 и 24 управляющего меандра (эпюра а на фиг. 2) с помощью трансформатора 5 тока происходит поочередное переключение транзисторов 3 и 4. Базовый ток включенного транзистора при этом с помощью трансформатора 5 тока поддерживается пропорциональным току коллектора.

Пусть, например, в момент времени t₁ (эпюра б на фиг.2) включается транзистор 4. Его ток нарастает по закону синуса в интервале времени t₁-t₂. В момент времени t₂ обмотка 5.1 трансформатора 5 закорачивается с помощью схемы управления, формирующей управляющий меандр (схема управления в связи с непринципиальностью для данного изобретения на фиг.1 не показана), в результате чего коллекторный ток транзистора 4 быстро уменьшается до нуля. Однако напряжение на коллекторе этого транзистора увеличивается медленно, т.к. конденсатор 12 перезаряжается током, протекающим через обмотки 5.3, 6.1 и 11.1 трансформаторов 5, 6 и 11 (эпюра г на фиг.2). К моменту времени t₃ указанное напряжение достигает величины постоянного входного напряжения Е_п, увеличенного на небольшую величину падения напряжения на открытом диоде 15. Этот диод продолжает быть открытым до момента времени t₄, когда становится равным нулю ток протекающий по цепи: обмотки 11.1, 6.1, 5.3, конденсатор 12. Несмотря на то, что входное напряжение с момента времени t₂ до момента t₄ является открывающим для транзистора 3, последний остается закрытым благодаря действию магнитной связи: обмотка 5.3 обмотка 5.2, т.к. ток за время t₂-t₄, проходящий по обмотке 5.3, формирует отрицательное смещение на переходе эмиттер-база транзистора 3.

В момент времени t₄ ток через обмотку 5.3 уменьшается до нуля и открывающий сигнал управления открывает транзистор 3. Коллекторный ток этого транзистора нарастает по закону синуса до момента времени t₅, когда он резко спадает до нуля вследствие закорачивания обмотки 5.1 (эпюра в фиг.2). Напряжение на коллекторе транзистора 4 медленно уменьшается, т.к. конденсатор 12 перезаряжается током, протекающим через обмотки 5.3, 6.1 и 11.1 (эпюра г на фиг.2), и к моменту времени t₆ достигает отрицательной величины, равной падению напряжения на открытом диоде 16, который продолжает быть открытым до момента времени t₇, когда становится равным нулю ток, протекающий по цепи: обмотки 5.3, 6.1, 11.1, конденсатор 12. Несмотря на то, что входное напряжение с момента времени t₅ является открывающим для транзистора 4, последний остается закрытым благодаря действию магнитной связи: обмотка 5.3 - обмотка 5.4. В момент времени t₇ ток, протекающий через обмотку 5.3, уменьшается до нуля и входной сигнал вновь открывает транзистор 4 и т.д. периодически переключаются транзисторы 3 и 4.

Каждый полупериод один из трансформаторов 6 и 11 работает как выходной трансформатор, передавая энергию через диоды 7 и 8 и сглаживающий фильтр 9 в элемент 10 нагрузки, а другой трансформатор как индуктивность резонансного контура вместе с конденсаторами 1, 2 и 12. При этом напряжение на общей точке соединения конденсаторов 1 и 2 по форме близко к синусоиде (эпюра д на фиг.2).

Когда в интервале времени t₂-t₄ (фиг.2) закрывается отработавший транзистор, например транзистор 4, сменяющий его транзистор, в данном случае транзистор 3, должен быть надежно закрыт. Это достигается тем, что под действием тока перезарядки конденсатора 12 через первичную обмотку 27.1 и вторичную обмотку 27.2 датчика тока 27 поддерживается открытым транзистор 27.3. В результате этого ток, протекающий через диод 27.5 и дополнительную обмотку 5.5 трансформатора тока 5, препятствует формированию на базе транзистора 3 открывающего его потенциала. Блокировка этого транзистора продолжается до тех пор, пока не станет равным нулю ток резонансного контура.

Аналогично, когда в интервале времени t₅-t₇ (фиг.2) не должен открываться транзистор 4 (при этом ток перезарядки конденсатора 12, проходящий через первичную обмотку 27.1, в отличие от предыдущего случая, имеет противоположное направление), поддерживается открытым транзистор 27.4, в результате чего ток, протекающий через диод 27.6 и дополнительную обмотку 5.5 трансформатора тока 5, препятствует формированию на базе транзистора 4 открывающего его потенциала.

В отличие от прототипа, благодаря наличию в предлагаемом преобразователе конденсатора 12, который на интервалах времени t₂-t₄ и t₅-t₇ перезаряжается по варианту 1 через обмотку 5.3, а по варианту 2 еще дополнительно к этому через датчик тока 27 с воздействием через обмотку 5.5, происходит задержка вредного (преждевременного) включения транзисторов 3 и 4. Это позволяет существенно упростить устройство управления, формирующего вместо сложного меандра с блокирующими паузами на интервалах t₂-t₄ (t₅-t₇) простейший меандр, показанный на эпюре а фиг.2, и повысить КПД преобразователя.

Кроме того, на интервалах времени t₃-t₄ и t₆-t₇ благодаря наличию, в отличие от прототипа, диодов 15 и 16, имеется кратчайший путь току, что также повышает КПД преобразователя.

Использование: во вторичных источниках питания. Сущность изобретения: преобразователь напряжения содержит два конденсатора 1 и 2, два транзистора 3 и 4, трансформатор 5 тока, два выходных трансформатора 6 и 11, два диода 7 и 8, сглаживающий фильтр 9, входы управления 23 и 24 и шины постоянного входного напряжения 25 и 26. Кроме того, преобразователь напряжения дополнительно содержит датчик 27 тока, содержащий трансформатор тока с обмотками 27.1 и 27.2, два транзистора 27.3 и 27.4 и два диода 27.5 и 27.6. В преобразователе повышено быстродействие переключения транзисторов, снижены потери энергии и уменьшены электромагнитные помехи. Преобразователь напряжения отличается высоким КПД. 3 ил.

Преобразователь напряжения, содержащий параллельно соединенные относительно двух шин постоянного входного напряжения цепочку последовательно соединенных первого и второго конденсаторов и последовательно соединенных в токовую управляемую цепочку первого и второго транзисторов, первый трансформатор тока, первый выходной трансформатор, первый и второй диоды, сглаживающий фильтр, причем выводы первичной обмотки первого трансформатора тока использованы в качестве входа управления преобразователя напряжения, конец первой и начало второй вторичных обмоток первого трансформатора тока соединены между собой и с точкой соединения эмиттера первого и коллектора второго транзисторов, конец второй вторичной обмотки первого трансформатора тока соединен с началом первичной обмотки первого выходного трансформатора, начало вторичной обмотки которого соединено через прямовключенный диод и сглаживающий фильтр с первым выводом для подключения нагрузки, а конец вторичной обмотки первого выходного трансформатора соединен с вторым выводом для подключения нагрузки и с общей шиной, начало третьей вторичной обмотки первого трансформатора тока соединено с эмиттером второго транзистора и с минусовой шиной постоянного входного напряжения, а коллектор первого транзистора подключен к плюсовой шине постоянного входного напряжения, отличающийся тем, что в него введены второй трансформатор тока, второй выходной трансформатор, третий и четвертый транзисторы, три конденсатора и десять диодов, причем конец первичной обмотки второго выходного трансформатора соединен с концом первичной обмотки первого выходного трансформатора, начало первичной обмотки второго выходного трансформатора соединено с точкой соединения первого и второго конденсаторов и с первым выводом третьего конденсатора, второй вывод которого соединен с точкой соединения эмиттера первого и коллектора второго транзисторов, начало и конец вторичной обмотки второго выходного трансформатора соответственно соединены с первым выводом для подключения нагрузки через прямовключенный диод и сглаживающий фильтр и с вторым выводом для подключения нагрузки, анод и катод третьего диода соединены соответственно с эмиттером и коллектором первого транзистора, анод и катод четвертого диода соединены соответственно с эмиттером и коллектором второго транзистора, начало первой вторичной обмотки первого трансформатора тока соединено через параллельно соединенные четвертый конденсатор и последовательно соединенные прямовключенные пятый и шестой диоды с базой первого транзистора, точка соединения пятого и шестого диодов через прямовключенный седьмой диод соединена с коллектором первого транзистора, конец третьей вторичной обмотки первого трансформатора тока соединен через параллельно соединенный пятый конденсатор и последовательно соединенные прямовключенные восьмой и девятый диоды с базой второго транзистора, точка соединения восьмого и девятого диодов через прямовключенный десятый диод соединена с коллектором второго транзистора, первичная обмотка второго трансформатора тока включена последовательно в любом месте резонансного контура, состоящего из последовательно соединенных первичных обмоток первого и второго выходных трансформаторов, второй вторичной обмотки первого трансформатора тока и третьего конденсатора, причем первичная обмотка второго трансформатора тока включена встречно с обмотками, входящими в состав резонансного контура, начало вторичной обмотки второго трансформатора тока соединено с базами третьего и четвертого транзисторов, а ее конец с эмиттерами этих транзисторов и с концом любой из вторичных обмоток первого трансформатора тока, при этом начало используемой обмотки соединено через прямовключенный одиннадцатый диод с коллектором третьего транзистора и через обратновключенный двенадцатый диод с коллектором четвертого транзистора, а конец с точкой соединения эмиттеров третьего и четвертого транзисторов, причем третий и четвертый транзисторы имеют проводимость соответственно n-p-n- и p-n-p-типа.