РЕЗОНАНСНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G05F1/46 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при разработке высококачественных импульсных источников питания.

Известен импульсный стабилизатор напряжения, содержащий двухтактный полумостовой преобразователь напряжения, входом соединенный со входными выводами, а выходом через выпрямитель и фильтр с выходными выводами, широтно-импульсный модулятор, выходы которого подключены к управляющим входам двухтактного полумостового преобразователя напряжения, генератор прямоугольных колебаний, формирователь пилообразного напряжения, источник опорного напряжения и два транзистора (1). В известном устройстве решена техническая задача повышение КПД за счет использования для сравнения в широтно-импульсном модуляторе переменных напряжений: прямоугольного опорного и пилообразного, пропорционального входному напряжению. Получение таких напряжений и их сравнение требует меньше энергетических затрат. А использование тока источника опорного напряжения одновременно для управления транзисторами двухтактного полумостового преобразователя напряжения, наряду с применением пассивного ШИМ, дополнительно повышает КПД.

Источники питания с ШИМ в настоящее время являются превалирующими. Однако они характеризуются слишком высокими потерями, поскольку относятся к схемам с так называемым жестким переключением. При жестком переключении включенный транзисторный ключ выключается в момент, когда через него протекает ток, а выключенный транзисторный ключ включается, когда на нем имеется напряжение и поэтому, чем чаще этот ключ включается и выключается, тем больше потери. При этом время переключения транзистора (длительность включения или выключения) должно быть возможно меньше.

Таким образом недостатком известного устройства являются высокие потери, т.е. низкий КПД.

В идеале для того, чтобы потери были минимальными, транзисторный ключ должен выключаться в тот момент, когда ток через него равен нулю (переключение при нулевом токе) и включаться, когда напряжение на нем равно нулю (переключение при нулевом напряжении).

В настоящее время наилучшим решением для высокочастотных импульсных источников питания является использование резонансных схем. В отличие от источников питания с ШИМ резонансных схем "смягчают" режим переключения и таким образом способствуют уменьшению потерь на переключение. В результате резонансные источники питания при одной и той же рабочей частоте обеспечивают более высокий КПД.

Известен резонансный источник питания, содержащий ключевой транзисторный преобразователь напряжения, входом соединений с входными выводами и выполненный в виде полумостовой схемы, в выходной цепи которой включен резонансный контур, состоящий из соединенных параллельно последовательной цепи на дросселе и первом конденсаторе и второго конденсатора, причем параллельно первому конденсатору включена первичная обмотка выходного трансформатора, вторичная обмотка которого через выпрямитель и фильтр соединена с выходными выводами, и блок управления частотой, выходы которого подключены к управляющим входам ключевого транзисторного преобразователя напряжения, силовые выводы транзисторов которого шунтированы блокирующими диодами (2).

Известный источник питания является аналогом, наиболее близким к предлагаемому изобретению по совокупности существенных признаков.

Однако и известный источник питания обладает значительными потерями при переключении, за счет того, что блок управления частотой вырабатывает колебания прямоугольной формы и, следовательно, ток управления транзистора преобразователя также имеет прямоугольную форму. Технической задачей данного изобретения является снижение потерь при переключении транзисторов ключевого транзисторного преобразователя напряжения и снижение мощности, потребляемой блоком управления частотой.

Технический результат, который может быть получен при использовании изобретения, заключается в повышении КПД резонансного источника питания.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в резонансном источнике питания, содержащем ключевой транзистор преобразователь напряжения, входом соединений с выходами выводами и выполненный в виде полумостовой схемы, в выходной цепи которой включен резонансный контур, состоящий из соединенных параллельно последовательной цепи на дросселе и первом конденсаторе и второго конденсатора, причем параллельно первому конденсатору включена первичная обмотка выходного трансформатора, вторичная обмотка которого через выпрямитель и фильтр соединена с выходными выводами, и блок управления частотой, выходы которого подключены к управляющим входам ключевого транзисторного преобразователя напряжения, силовые выводы транзисторов которого шунтированы блокирующими диодами, блок управления частотой выполнен в виде последовательно соединенных двух базовых резисторов и диода и на дополнительном конденсаторе, включенном между общей точкой резисторов и свободным выводом диода, при этом управляющие входы транзисторов через соответствующие цепочки формирования базового тока соединены с соответствующими управляющими входами ключевого транзисторного преобразователя напряжения, а узел преобразования сопротивления в частоту выполнен в виде парафазного мультивибратора на четырех логических инверторах, третьим и четвертым конденсаторах, на дополнительном транзисторе и трех резисторах, причем логические инверторы соединены попарно-последовательно, соответственно, первый со вторым и третий с четвертым, третий конденсатор включен между выходом первого и входом третьего логических инверторов, а четвертый конденсатор включен между выходом третьего и выходом первого логических инверторов, первый резистор включен параллельно выходу узла преобразователя напряжения в сопротивление, через второй и третий резисторы соединенному с выходами, соответственно, первого и третьего логических инверторов, выходы второго и четвертого логических инверторов соединены с первичной обмоткой дополнительного трансформатора, две вторичные обмотки которого использованы в качестве выходов узла преобразования сопротивления в частоту и выходов блока управления частотой, входом в качестве которого использован вход узла преобразования напряжения в сопротивление, подключенный к выходным выводам.

Кроме того, узел преобразования напряжения в сопротивление выполнен на дополнительном транзисторе, выход которого использован в качестве выхода узла преобразования напряжения в сопротивление, переменном резисторе, использованном в качестве входа узла преобразования напряжения в сопротивление и четвертом резисторе, включенном между входом и выходом узла преобразования напряжения в сопротивление, причем, регулировочный вывод переменного резистора соединен с базой дополнительного транзистора.

Логические инверторы могут быть выполнены на элементах 2И-НЕ.

Для обеспечения запуска преобразователя напряжения, дополнительный трансформатор снабжен пусковой обмоткой, включенной в выходную цепь ключевого транзисторного преобразователя напряжения последовательно с резонансным контуром.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема резонансного источника питания, на фиг. 2 форма базового тока транзисторов ключевого транзисторного преобразователя напряжения, на фиг. 3 его регулировочная характеристика.

Резонансный источник питания (фиг. 1) содержит ключевой транзисторный преобразователь 1 напряжения, входом соединенный с выходными выводами 2, 3 и выполненный в виде полумостовой схемы на транзисторах 4, 5 и конденсаторах 6, 7, в выходной цепи которой включен резонансный контур, состоящий из соединенных параллельно последовательной цепи на дросселе 8 и первом конденсаторе 9 и второго конденсатора 10, выходной трансформатор 11, первичная обмотка которая подключена параллельно конденсатору 9, а вторичная -через выпрямитель 12 и фильтр 13 соединена с выходом ключевого транзисторного преобразователя напряжения, подключенным к выходным выводам, к которым подключена нагрузка 14, цепочки формирования базового тока, выполненные в виде последовательно соединенных базовых резисторов 15 и 16, 17, 18 и диодов 19 и 20, и на дополнительных конденсаторах 21 и 22, включенных между общей точкой резисторов 15, 16 и 17, 18 и свободными выводами диодов 19 и 20 соответственно, блокирующие диоды 23 и 24, шунтирующие силовые выводы транзисторов 4 и 5, блок управления частотой 25, выполненный в виде последовательно соединенных узлов преобразования напряжения в сопротивление 26 и узла преобразования сопротивления в частоту 27.

Узел 27 преобразования сопротивления в частоту содержит парафазный мультивибратор на четырех логических инверторах 28, 29, 30, 31, третьем конденсаторе 32, четвертом конденсаторе 33, дополнительном трансформаторе 34 и трех резисторах 35, 36, 37, причем логические инверторы соединены попарно-последовательно, 28 с 29 и 30 с 31, третий конденсатор 32 включен между выходом логического инвертора 28 и входом логического инвертора 30, четвертый конденсатор 33 включен между выходом логического инвертора 30 и входом логического инвертора 28, первый резистор 35 включен параллельно выходу узла 26 преобразования напряжения в сопротивление, через второй резистор 36 и третий резистор 37, соединенные со входами, соответственно, логического инвертора 28 и логического инвертора 30, выходы логического инвертора 29 и логического инвертора 31 соединены с первичной обмоткой 38 дополнительного трансформатора 34, вторичные обмотки 39 и 40 которого использованы в качестве выходов узла 27 преобразования сопротивления в частоту и выходы блока 25 управления частотой. Логические инверторы 28, 29, 30, 31 могут быть выполнены, например, на элементах 2И-НЕ.

В качестве входа блока 25 управления частотой использован вход узла 26 преобразования напряжения в сопротивление, выполненного на дополнительном транзисторе 41, выход которого использован в качестве выхода узла 26 преобразования напряжение в сопротивление, на переменном резисторе 42, использованном в качестве входа узла 26 преобразования напряжения в сопротивлении, и четвертом резисторе 43, включенном между входом и выходом узла 26 преобразования напряжения в сопротивление, причем регулировочный вывод переменного резистора 42 соединен с базой дополнительного транзистора 41. Вход блока 25 управления частотой соединен с нагрузкой 14. Для обеспечения пуска ключевого транзисторного преобразователя напряжения 1 дополнительный трансформатор 34 снабжен пусковой обмоткой 44, включенной в выходную цепь ключевого транзисторного преобразователя 1 последовательно с резонансным контуром. Питание парафазного мультивибратора осуществляют от отдельного источника питания и от источника опорного напряжения (элементы 45, 46) путем подачи на него напряжения с выхода выпрямителя 12 ключевого транзисторного преобразователя напряжения 1 через емкостной фильтр 47. Резисторы 48, 49, 50, 51 задают необходимый рабочий режим транзисторов 4 и 5.

Резонансный источник питания работает следующим образом. При включении источника питания ключевой транзисторный преобразователь 1 напряжения возбуждается за счет положительной обратной связи пусковой обмотки 44 дополнительного трансформатора 34 и начинает генерировать низкочастотные импульсы. На вторичной обмотке выходного трансформатора 11 появляется напряжение, которое через выпрямитель 12 запитывает микросхему на логических инверторах 28.31 парафазного мультивибратора. Мультивибратор начинает генерировать высокочастотные импульсы, которые поступают через трансформатор 34 на цепочке формирования базового тока транзисторов 4 и 5.

Благодаря формированию базового тока транзисторов 4 и 5 преобразователя 1 с помощью блока 25 управления частотой и цепочек формирования базового тока (элементы 15.22) достигается уменьшение потерь в транзисторах 4 и 5 при их переключении.

В момент t₁ (фиг. 2) происходит включение транзистора 4 (включение при нулевом напряжении). При таком резком скачке базового тока уменьшаются потери при включении транзистора. Транзистор включен и насыщен в течение времени t₁ t₂. При этом базовый ток линейно уменьшается до значения i_б мин. при котором транзистор еще насыщен. При значении i_б время рассасывания t_рас транзистора при его выключении будет минимальным, что приводит к уменьшению потерь при выключении транзистора. В течение времени t₂ t₃, когда базовый ток принимает отрицательные значения, время выключения транзистора за счет дополнительного уменьшения t_рас. уменьшается, благодаря чему снижаются тепловые потери при выключении транзистора.

Таким образом, благодаря формированию базового тока транзисторов 4 и 5 специальной формы (фиг. 2) уменьшаются потери как при включении, так и при выключении транзисторов преобразователя 1.

Когда транзистор 4 включается, ток в дросселе 8 начинает постепенно нарастать. Этот ток равен сумме тока в первичной обмотке трансформатора 11 и зарядного тока конденсатора 9. Когда напряжение на конденсаторе 9 и первичной обмотке трансформатора 11 сравняется с входным напряжением, падение напряжения на дросселе 8 станет равным нулю, после этого энергия, запасенная в дросселе 8, начинает заряжать конденсатор 9. Через интервал времени, который задается собственной резонансной частотой контура, ток в дросселе 8 и, следовательно, в транзисторе 4 станет равным нулю. Затем ток через дроссель 8 изменит направление и конденсатор 9 начинает разряжаться, поддерживая протекание тока через диод 23. При этом транзистор 4 выключается (переключение при нулевом токе). Резонансный полупериод зарядки конденсатора 10 начинается после выключения транзистора 4 и заканчивается перед включением транзистора 5. Когда оба транзистора выключены, энергия передается от дросселя 8 к конденсатору 10. По мере зарядки конденсатора 10 напряжение на транзисторе 4 увеличивается, а на транзисторе 5 уменьшается. Когда напряжение на транзисторе 5 спадает до нуля, происходит его включение без потерь, при этом диод 24 обеспечивает возврат энергии, оставшейся в дросселе 8, обратно на вход резонансного источника питания. Следующий полупериод идентичен первому и начинается, когда выключится транзистор 5. Теперь напряжение на транзисторе 5 будет возрастать, а напряжение на транзисторе 4 уменьшаться, и когда оно спадет до нуля, происходит включение транзистора 4 без потерь.

Как и в других резонансных источниках питания, изменение рабочей частоты преобразователя 1 приводит к изменению выходного напряжения, причем рабочая частота преобразователя 1 выше его резонансной частоты, а рабочая точка преобразования расположена на правом склоне резонансной кривой контура (фиг. 3) на ее прямолинейном участке. Стабилизация выходного напряжения осуществляется за счет подачи напряжения отрицательной обратной связи с нагрузки 14 в блок 25 управления частотой и формирования в этом блоке импульсов управления транзисторами 4 и 5 преобразователя 17. В блоке 25 управления частотой осуществляется преобразование напряжения в сопротивление с помощью узла 26, а затем преобразование сопротивления в частоту с помощью узла 27. Модуляция частоты происходит за счет изменения сопротивления резистора 35, шунтируемого транзистором 41.

Резистор 35 и конденсаторы 32, 33 и резисторы 36, 37 выполняют функцию времязадающих элементов парафазного мультивибратора.

При уменьшении выходного напряжения от значения U₀ до U₂ за счет увеличения тока нагрузки частота парафазного мультивибратора уменьшается со значения f₁ до значения f₃ (фиг. 3), при этом выходное напряжение преобразователя 1 увеличивается до значения U₁ и компенсируется уменьшение выходного напряжения источника.

Таким образом, выходное напряжение резонансного источника питания останется неизменным.

Аналогично происходит стабилизация выходного напряжения за счет уменьшения тока нагрузки.

На резонансной (регулировочной) характеристике (фиг. 3) рабочая точка преобразования смещается по линии f₁, f₂, f₃: чем больше ток в нагрузке, тем ближе рабочая точка к частоте и наоборот, чем меньше ток в нагрузке, тем ближе рабочая точка к частоте f₂.

При очень больших точка нагрузки или коротких замыканиях в нагрузке рабочая точка преобразования смещается влево за резонансную частоту f_p, уменьшая напряжение практически до нуля (точка f₄, фиг. 3). При этом защита от коротких замыканий источника питания осуществляется без применения каких-либо дополнительных элементов.

Предложенная схема выполнения блока управления частотой, в частности, его узла преобразования сопротивления в частоту, является очень экономичной, т.к. отличается малым потреблением мощности.

Таким образом данное изобретение позволяет повысить КПД резонансного источника питания.

Использование: разработка высокочастотных импульсных источников питания. Сущность изобретения: источник питания держит ключевой транзисторный преобразователь 1 напряжения, выполненный в виде полумостовой схемы на транзисторах 4,5 и конденсаторах 6,7 и блок 25 управления частотой, выполненный в виде последовательно соединенных узла 26 преобразования напряжения в сопротивление и узла 27 преобразования сопротивления в частоту. В выходной цепи преобразователя 1 включен резонансный контур, выполненный на дросселе 8 и конденсаторах 9, 10. Стабилизация изменения рабочей частоты преобразователя 1 в зависимости от изменения выходного напряжения. Формирование специальной формы базового тока транзисторов 4, 5 с помощью блока 25 и цепочек, выполненных на элементах 15-22, снижает потери как при включенном, ток и при выключенном транзисторах 4, 5 преобразователя 1. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Резонансный источник питания, содержащий ключевой транзисторный преобразователь напряжения, входом соединенный с входными выводами и выполненный в виде полумостовой схемы, в выходной цепи которой включен резонансный контур, состоящий из соединенных параллельно последовательной цепи на дросселе и первом конденсаторе и второго конденсатора, причем параллельно первому конденсатору включена первичная обмотка выходного трансформатора, вторичная обмотка которого через выпрямитель и фильтр соединена с выходом ключевого транзисторного преобразователя напряжения, подключенным к выходным выводам, и блок управления частотой, выходы которого подключены к управляющим входам ключевого транзисторного преобразователя напряжения, силовые выводы транзисторов которого шунтированы блокирующими диодами, отличающийся тем, что блок управления частотой выполнен в виде последовательно соединенных узла преобразования напряжения в сопротивление и узла преобразования сопротивления в частоту, в качестве транзисторов ключевого транзисторного преобразователя напряжения использованы биполярные транзисторы, базовые цепи которых снабжены цепочками формирования базового тока, выполненными в виде последовательно соединенных двух базовых резисторов и диода и на дополнительном конденсаторе, включенном между общей точкой базовых резисторов и свободным выводам диода, при этом управляющие входы транзисторов через соответствующие цепочки формирования базового тока соединены с соответствующими управляющими входами ключевого транзисторного преобразователя напряжения, а узел преобразования сопротивления в частоту выполнен в виде парафазного мультивибратора на четырех логических инверторах, третьем и четвертом конденсаторах, на дополнительном трансформаторе и трех резисторах, причем логические инверторы соединены попарно-последовательно, соответственно первый с вторым и третий с четвертым, третий конденсатор включен между выходом первого и входом третьего логических инверторов, а четвертый конденсатор включен между выходом третьего и входом первого логических инверторов, первый резистр включен параллельно выходу узла преобразования напряжения в сопротивление, через второй и третий резисторы соединенному с входами соответственно, первого и третьего логических инверторов, выходы второго и четвертого логических инверторов соединены с первичной обмоткой дополнительного трансформатора, две вторичные обмотки которого использованы в качестве выходов узла преобразования сопротивления в частоту и выходов блока управления частотой, входом, в качестве которого использован вход узла преобразования напряжения в сопротивление, подключенного к выходным выводам. 2. Источник питания по п.1, отличающийся тем, что узел преобразования напряжения в сопротивление выполнен на дополнительном транзисторе, выход которого использован в качестве выхода узла преобразования напряжения в сопротивление, переменном резисторе, использованном в качестве входа узла преобразования напряжения в сопротивление, и четвертом резисторе, включенном между входом и выходом узла преобразования напряжения в сопротивление, причем регулировочный вывод переменного резистора соединен с базой дополнительного транзистора. 3. Источник питания по пп.1 и 2 отличающийся тем, что логические инверторы выполнены на элементах 2И-НЕ. 4. Источник питания по пп.1 3, отличающийся тем, что дополнительный трансформатор снабжен пусковой обмоткой, включенной в выходную цепь ключевого транзисторного преобразователя напряжения последовательно с резонансным контуром.