СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК H02M3/337 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано во вторичных источниках электропитания.

Известны преобразователи напряжения, содержащие первый и второй транзисторные ключи, конденсатор, подключенный к первичной обмотке трансформатора, вторичную обмотку, подключенную через двухполупериодный выпрямитель и LC-фильтр к нагрузке (см. авт.св. N 1192065, H 02 M 3/335, 1985).

Такие преобразователи не обладают высокой надежностью, поскольку на транзисторных ключах возникает напряжение, более чем вдвое превосходящее напряжение первичного источника питания. Кроме того, при переключениях транзисторных ключей в трансформаторе возникают импульсные токи с фронтами малой длительности, что способствует генерации электромагнитных помех.

Наиболее близким к предлагаемому является преобразователь напряжения, содержащий первый и второй транзисторные ключи, соединенные последовательно через конденсатор между собой и подключенные к разнополярным выводам первичного источника питания, трансформатор, первичная обмотка которого подключена к первому выводу первичного источника питания и к точке соединения конденсатора и первого транзисторного ключа, вторичные обмотки через двухполупериодный выпрямитель и LC-фильтр подключены к нагрузке, первичная обмотка шунтирована параллельно соединенными конденсатором и дросселем, транзисторные ключи шунтированы встречно включенными диодами, к входным цепям транзисторных ключей подключены логические схемы И, первые входы которых соединены с выходными цепями транзисторных ключей, а вторые с парафазными выходами блока управления, причем вход первого транзисторного ключа связан с узлом запуска. (См. авт.св. N 1224921 H 02 M 3/335, 1986).

Этот преобразователь напряжения предназначен для стабилизации выходного напряжения, так как содержит регулирующий ключ. В преобразователе, в зависимости от относительной длительности импульсов, формируемых задающим генератором, напряжение на транзисторных ключах может более чем вдвое превышать напряжение питающей сети. При работе от выпрямленной сети с напряжением 220 в напряжение на ключах может составлять 600 800 В, что при любых схемотехнических решениях создает потенциальный источник отказа и резко ограничивает номенклатуру используемых транзисторов и диодов.

При переключениях транзисторных ключей в транзисторе возникают импульсы тока с фронтами малой длительности, вызывающие электромагнитные помехи. Дроссель, включаемый параллельно первичной обмотке трансформатора для увеличения пульсаций тока намагничивания, имеет значительную индуктивность и габариты, так как включен параллельно первичной обмотке трансформатора с высоким напряжением.

Токи транзисторных ключей существенно различны: через первый (регулирующий) ключ протекает импульсный ток, действующее значение которого много выше, чем второй (вспомогательный) ключ. Следовательно, при применении транзисторов одного типа они загружены неоптимально.

Входы логических схем И соединены с высоковольтными транзисторными ключами. Следовательно, эти схемы должны содержать высоковольтные элементы (диоды или транзисторы), что усложняет и удорожает схему преобразователя.

Для включения задающего генератора необходим либо вспомогательный источник питания, либо цепь запуска, обеспечивающая первоначальное включение с последующим питанием от обмотки трансформатора. Следовательно, узел запуска, подключенный ко входу второго транзисторного ключа, является дополнительным звеном, усложняющим устройство, наличие которого вызвано только применением схем И.

Техническим результатом, получаемым при осуществлении изобретения, является повышение надежности, КПД, улучшение электромагнитной совместимости и упрощение схемы преобразователя.

Это достигается тем, что первый и второй транзисторные ключи соединены последовательно, шунтированы встречно включенными диодами и подключены к разнополярным выводам первичного источника питания, первичная обмотка трансформатора одним выводом через дроссель подключена к средней точке транзисторных ключей и вторым выводом через фильтрующий конденсатор к одному из выводов первичного источника питания, причем последовательно соединенные дроссель и первичная обмотка трансформатора шунтированы корректирующим конденсатором, управляющие выводы транзисторных ключей через элементы задержки подключены к парафазным выходам блока управления.

Блок управления содержит последовательно соединенные усилитель сигнала рассогласования, первый вход которого является первым входом блока управления, фазо-импульсный модулятор и узел гальванической развязки, выходы которого использованы в качестве парафазных выходов блока управления, и источник опорного напряжения, подключенный ко второму входу усилителя сигнала рассогласования.

Первый вход блока управления соединен с выходом LC-фильтра, через двухполупериодный выпрямитель подключенного к выходным обмоткам трансформатора. Второй вход блока управления соединен с выходом цепи запуска, входом подключенной к выводам первичного источника питания.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого преобразователя напряжения; на фиг. 2 эпюры, поясняющие работу схемы.

На фиг. 1 и в тексте приняты следующие обозначения:
1 первый транзисторный ключ, 2 второй транзисторный ключ, 3 и 4 - диоды, 5 первичный источник питания, 6 трансформатор, 7 первичная обмотка трансформатора, 8 дроссель, 9 фильтрующий конденсатор, 10 - вторичные обмотки трансформатора, 11 выпрямитель, 12 LC-фильтр, 13 - нагрузка, 14 корректирующий конденсатор, 15 и 16 элементы задержки, 17 - блок управления, 18 усилитель сигнала рассогласования, 19 источник опорного напряжения, 20 фазо-импульсный модулятор, 21 узел гальванической развязки, 22 цепь запуска.

Устройство содержит первый 1 и второй 2 транзисторные ключи, шунтированные встречно включенными диодами 3 и 4, соединенные последовательно, подключенные к разнополярным выводам первичного источника питания 5, трансформатор 6, первичная обмотка 7 которого через дроссель 8 подключена к средней точке транзисторных ключей 1 и 2 и через фильтрующий конденсатор 9 к одному из выводов первичного источника питания 5, вторичные обмотки 10 через выпрямитель 11 и LC-фильтр 12 подключены к выводам для подключения нагрузки 13, последовательно соединенные дроссель 8 и первичная обмотка 7 трансформатора 6 шунтированы корректирующим конденсатором 14, выходные цепи транзисторных ключей 1 и 2 через элементы задержки 15 и 16 подключены к парафазным выходам блока управления 17, включающего в себя усилитель сигнала рассогласования 18, подключенный входами к выходу LC-фильтра 12 и источнику опорного напряжения 19, а выходом к фазо-импульсному модулятору 20, выход последнего через узел гальванической развязки 21 подключен к парафазным выходам блока управления 17.

Цепь запуска 22 входом подключена к выводам первичного источника питания 5, а выходом к выводу питания блока управления 17.

Устройство работает следующим образом. В установившемся режиме на парафазных выходах блока управления 17 имеются импульсы управления (фиг. 2,а), которые попеременно отпирают транзисторные ключи 1 и 2 через элементы задержки 15 и 16.

Постоянная составляющая импульсов напряжения на транзисторах 1 и 2 выделяется фильтрующим конденсатором 9.

Переменная составляющая импульсов со вторичной обмотки 10 трансформатора 6 выпрямляется двухполупериодным выпрямителем 11 и сглаживается LC-фильтром 12. Выходное напряжение преобразователя поступает в нагрузку 13. Дроссель 8 позволяет формировать фронты импульсов тока в первичной обмотке 7, соизмеримые по длительности с периодом коммутации. Таким образом, ток в обмотке 7 протекает непрерывно (фиг. 2,д). В моменты запирания транзисторных ключей 1 и 2 ток обмотки замыкается через диоды 3 и 4. Поскольку включение транзисторов происходит с задержкой длительностью t₃ (фиг. 2,б), то в паузе, когда оба транзисторных ключа заперты, напряжение на их средней точке определяется колебательным процессом, формируемым конденсатором 14, дросселем 8 совместно с индуктивностью рассеяния обмотки 7. Напряжение на средней точке имеет вид трапецеидальных импульсов (фиг. 2,б). Параметры конденсатора 14 и дросселя 8 выбираются таким образом, чтобы включение транзисторов происходило в моменты, когда напряжение на них было близко к нулю. Очевидно что при этом коммутационные потери мощности практически отсутствуют.

Импульсы напряжения, снимаемые с вторичных обмоток 10 трансформатора 6, имеют прерывистый характер (фиг. 2,е). Пауза вызвана наличием дросселя 8 и конечным значением индуктивности рассеяния обмотки 7. Следует отметить, что даже в отсутствии дросселя 8 пауза имеет место в любом преобразователе. (Сивернс Р. и Блум Г. Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания. М. Энергоатомиздат, 1988, с. 97).

Импульсы напряжения поступают на двухполупериодный выпрямитель 11 и на LC-фильтр 12. На нагрузку 13 поступает напряжение U_н.

Введя обозначения: E напряжение первичного источника питания 5, U₉ напряжение на фильтрующем конденсаторе 9, γ относительная длительность (относительно периода коммутации T) включения транзисторного ключа 1, n коэффициент трансформации трансформатора 6 и пренебрегая незначительной паузой в импульсах напряжения на обмотках 10, для напряжения на нагрузке имеем

Поскольку постоянная составляющая напряжения на обмотке 7 трансформатора 6 равна нулю, то U₉=γE.

Тогда
Поскольку регулировочная характеристика преобразователя нелинейна (квадратична), то для обеспечения устойчивости в широком диапазоне изменения напряжения сети и тока нагрузки в усилителе сигнала рассогласования 18 используются известные цепочки частотной коррекции. Энергия в преобразователе передается в нагрузку практически непрерывно, и регулировочная пауза отсутствует. Это означает, что используется фазо-импульсная модуляция, причем устройство модулятора 20 аналогично известным модуляторам ШИМ.

Предлагаемый преобразователь по сравнению с известным имеет следующие преимущества:
максимальное напряжение на транзисторных ключах не превышает напряжения питания преобразователя, а токи в транзисторах распределяются более равномерно. Это повышает надежность преобразователя и эффективность использования транзисторов;
трансформатор содержит меньшее число витков в первичной обмотке и работает при меньших напряжениях и полном отсутствии тока подмагничивания, что повышает его КПД и КПД всего преобразователя;
последовательное включение дросселя с первичной обмоткой трансформатора позволяет существенно снизить его индуктивность и габариты;
непрерывный и монотонный характер изменения тока в первичной обмотке трансформатора снижает электромагнитные помехи, т.е. улучшает электромагнитную совместимость преобразователя с другими устройствами;
использование элементов позволило исключить логические схемы И с высоковольтными элементами и дополнительный узел запуска транзисторного ключа, что упрощает схему преобразователя.

Если ток нагрузки преобразователя уменьшается, отклоняясь от номинального значения, то энергия, накапливаемая дросселем 8, уменьшается, что приводит к возрастанию длительности фронта импульса напряжения. При снижении тока ниже определенного предела очередное включение транзистора произойдет в момент, когда напряжение на нем не успевает уменьшиться до нуля. Это вызывает появление коммутационных потерь мощности. Однако поскольку потери возникают лишь при малых токах нагрузки, они остаются незначительными, не ухудшая КПД преобразователя.

Поэтому упрощение схемы, достигаемое исключением логических схем И является оправданным.

Предложенное техническое решение проверялось на макетном образце преобразователя напряжения с выходной мощностью 50 Вт. Электропитание преобразователя осуществляется от выпрямленного напряжения промышленной сети переменного тока. Экспериментальные исследования подтвердили практически полное устранение коммутационных потерь в широком диапазоне изменения тока нагрузки и отсутствие выброса пускового тока (что достигается обычным методом "мягкого" пуска).

Высокая эффективность преобразования позволила практически отказаться от радиаторов охлаждения транзисторов.

Использование: во вторичных источниках электропитания. Сущность изобретения: преобразователь напряжения содержит два транзисторных ключа 1 и 2, два диода 3 и 4, трансформатор 6, дроссель 8, фильтрующий конденсатор 9, выпрямитель 11, LC-фильтр, корректирующий конденсатор 14, два элемента задержки 15 и 16, блок управления 17, усилитель сигнала рассогласования 18, источник опорного напряжения 19, фазо-импульсный модулятор 20, узел гальванической развязки 21, цепь запуска 22. В установившемся режиме импульса блока управления 17 попеременно отпирают транзисторные ключи 1 и 2. На первичной обмотке 7 трансформатора 6 образуются разнополярные импульсы напряжения, причем форма протекающего через нее тока корректируется дросселем 8, а форма импульсов на транзисторных ключах 1 и 2 - конденсатором 14. Постоянная составляющая импульсов напряжения на ключах 1 и 2 выделяется на конденсаторе 9, а переменная составляющая через трансформатор 6 поступает на выпрямитель 11 и фильтруется LC-фильтром 12. Стабилизация выходного напряжения преобразователя осуществляется за счет модуляции фазы переключения транзисторных ключей 1 и 2. 2 ил.

Стабилизированный преобразователь напряжения, содержащий первый и второй последовательно соединенные транзисторные ключи, шунтированные встречно включенными диодами и подключенные к разнополярным выводам первичного источника питания, трансформатор, выходные обмотки которого через двухполупериодный выпрямитель подключены к LС-фильтру, выход которого соединен с выводами для подключения нагрузки, блок управления, первый вход которого соединен с выходом LС-фильтра, цепь запуска, входом подключенную к выводам первичного источника питания, а выходом к второму входу блока управления, корректирующий конденсатор и дроссель, причем первый вывод корректирующего конденсатора соединен с первым выводом первичной обмотки трансформатора, а второй вывод корректирующего конденсатора подключен к первому выводу дросселя, и фильтрующий конденсатор, первый вывод которого подключен к точке соединения корректирующего конденсатора и первичной обмотки трансформатора, управляющие входы транзисторных ключей подключены через элементы задержки к парафазным выходам блока управления, отличающийся тем, что второй вывод фильтрующего конденсатора подключен к одному из выводов первичного источника питания, вторые выводы первичной обмотки трансформатора и дросселя объединены, общая точка дросселя и корректирующего конденсатора подключена к точке соединения транзисторных ключей, а блок управления содержит последовательно соединенные усилитель сигнала рассогласования, первый вход которого является первым входом блока управления, а ко второму входу подключен источник опорного налряжения, фазо-импульсный модулятор и узел гальванической развязки, выходы которого использованы в качестве парафазных выходов блока управления.