ИМПУЛЬСНЫЙ РЕГУЛЯТОР ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для регулирования выходного напряжения вверх и вниз от напряжения источника питания (в частности для А^б, 0,5 ≤ K_U ≤ 1,5) при нестабильном входном и стабильном выходном напряжении, в автономных СЭП.

Известен комбинированный импульсный регулятор постоянного напряжения, объединяющий свойства ПН-регулятора (0 ≤ K_U ≤ 1) и ПВ-регулятора (1 ≤ K_U ≤ 3; 5), содержащий два ключевых элемента, дроссель, два вентиля и два конденсатора (авт. св. N 743137; Моин В.С. Стабилизированные транзисторные преобразователи. М.: Энергоатомиздат, 1986, с. 128).

В этом регуляторе, когда требуется K_U < 1 работает в импульсном режиме последовательный ключевой элемент, а когда требуется K_U > 1 в импульсном режиме работает параллельный ключевой элемент, недостаток такого регулятора - в наличии двух ключевых элементов и некотором усложнении схемы согласования между устройством управления и управляющими входами силовых транзисторов, пониженные динамические характеристики при возмущениях (ΔI_н, ΔU_вх) в режиме ПВ. Наиболее близким решением является импульсный регулятор на базе однотактного преобразователя с обратным включением диода (Источники электропитания РЭА. Справочник./Под ред. Г.С. Найвельта - М.: Радио и связь, 1986, с. 406), в простейшем варианте состоящего из силового транзистора подключенного к первичной обмотке трансформатора по входу и вторичной обмотки трансформатора с последовательно включенным вентилем и параллельно включенном конденсаторе. В такой схеме электромагнитная энергия накапливается в течение замкнутого состояния ключа (γT) , а передача энергии в нагрузку осуществляется в течение разомкнутого состояния ключа (1-γ)T , поэтому трансформатор в целом ряде случаев работает с большими подмагничивающими токами, что обуславливает повышенные массу и габариты трансформатора, пониженное быстродействие.

Целью изобретения является улучшение быстродействия, качества переходных процессов и массо-габаритных показателей импульсного регулятора постоянного напряжения с одним активным элементом (транзистором).

Указанная цель достигается тем, что в импульсном регуляторе постоянного напряжения, содержащем транзистор p-n-p типа, эмиттер которого подключен к положительному входному выводу регулятора, коллектор подключен к началу первичной обмотки трансформатора конец первичной обмотки трансформатора подключен к отрицательному входному выводу регулятора, конец вторичной обмотки подключен к аноду вентиля, а его катод подключен к одному из выводов конденсатора, другой вывод конденсатора подключен к началу вторичной обмотки трансформатора, LC-фильтр, вход которого связанный с дросселем, подключен к катоду диода, выходной вывод LC-фильтра, связанными с другим концом дросселя образует выходной положительный вывод регулятора, другой выходной вывод LC-фильтра является отрицательным выходным выводом регулятора и соединен с входным отрицательным выводом, образуя общую отрицательную шину, к началу вторичной обмотки трансформатора подключены катоды двух дополнительных вентилей, анод первого вентиля подключен к началу первичной обметки трансформатора, а анод второго вентиля подключен к общей шине регулятора.

За счет предлагаемой новой схемотехнике энергия в нагрузку передается как на интервале [γT] электрическим путем помимо трансформатора по пути VT _→ VD _→ C _→ LC -фильтр, так и на интервале [(1-γ)T] из вторичной обмотки трансформатора при его перемагничивании.

Таким образом, до 50% и более энергии в нагрузку передается электрическим путем помимо трансформатора, что позволяет значительно улучшить массо-габаритные показатели трансформатора так-как в предлагаемой схеме для передачи энергии используются оба интервала работы ключа [γT] и [(1-γ)T] быстродействие и отработка возмущений здесь более благоприятны, чем в аналоге и прототипе.

Таким образом, отличие в схемотехнике и перечисленные положительные эффекты позволяют сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 приведена схема импульсного регулятора постоянного напряжения с общей отрицательной шиной; на фиг. 2 - с общей положительной шиной между входными и выходными выводами.

Импульсный регулятор постоянного напряжения содержит транзистор 1 p-n-p типа, эмиттер которого подключен к положительному входному выводу регулятора, коллектор подключен к началу первичной обмотки 2 трансформатора 3 с линейной магнитной характеристикой, конец первичной обмотки трансформатора подключен к отрицательному входному выводу регулятора, конец вторичной обмотки 4 трансформатора подключен к аноду диода 5, а его катод подключен к одному из выводов конденсатора 6, другой вывод конденсатора подключен к началу вторичной обмотки трансформатора, LC-фильтр 7,8, вход которого, связанный с дросселем 7, подключен к катоду диода 5, выходной вывод LC-фильтра, связанный с другим концом дросселя образует выходной положительный вывод регулятора, другой отрицательный выходной вывод LC-фильтра соединен с выходным и входным отрицательными выводами регулятора, образуя отрицательную шину 9, к началу вторичной обмотки 4 трансформатора подключены катоды двух дополнительных вентилей 10, 11, анод вентиля 10 подключен к началу первичной обмотки 2 трансформатора, а анод вентиля 11 подключен к общей шине 9 регулятора.

Работает импульсный регулятор следующим образом. При подаче управляющих импульсов на управляющий вход транзистора 1 он периодически замыкается и размыкается, при замыкании ключа 1 к обмотке 2 трансформатора 3 прикладывается входное напряжение (U_вх), в трансформаторе 3 накапливается электромагнитная энергия; через диод 10 входное напряжение совместно с напряжением на конденсаторе 6 прикладывается к дросселю 7 за вычетом напряжения на конденсаторе 8 и протекает ток близкий к току нагрузки.

При размыкании транзистора 1 энергия накопленная в трансформаторе 3 через вторичную обмотку 4 и диод 5 поступает в конденсатор 6; ток дросселя 7 замыкается по пути: диод 11, конденсатор 6, дроссель 7, конденсатор 8 и сопротивление нагрузки.

Для данного регулятора коэффициент передачи напряжения

n = ω₂/ω₁ - коэффициент передачи трансформатора по напряжению.

Входной ток импульсного регулятора на интервале [γT] складывается из тока дросселя 7 I_VD10= I_L7 - I_H и тока первичной обмотки трансформатора

Постоянная составляющая тока подмагничивания трансформатора получается в 1,5 - 2 раза меньше, чем например, в однотактном преобразователе с обратным включением диода, что позволяет уменьшить массу и габариты трансформатора и получить более высокий КПД за счет того, что более 50% энергии передается не магнитным путем.

В предлагаемом импульсном регуляторе постоянного напряжения имеют место следующие технико-экономические преимущества.

1. Часть энергии в нагрузку передается электрическим путем (≥ 50%, без магнитного преобразования в трансформаторе), в 1,5 - 2 раза меньше величины постоянной составляющей тока подмагничивания в трансформаторе, что улучшает массо-габаритные показатели, увеличивает КПД.

2. Так как в предлагаемой схеме передача энергии в нагрузку осуществляется как на интервале [γT], так и на интервале (1-γ)Т больше согласованность в работе устройства управления и регулятора при отработке возмущений и как следствие - лучше качество переходных процессов и быстродействие.

3. Регулировочная характеристика K_u(γ) и dK_u/dγ имеют большую величину, что способствует большему быстродействию и более легкому согласованию устройства управления и регулятора при стабилизации напряжения на нагрузке.

Использование: в преобразовательной технике. Импульсный регулятор постоянного напряжения содержит транзистор p-n-p типа, эмиттер которого подключен к положительному входному выводу регулятора, коллектор подключен к началу первичной обмотки трансформатора с линейной магнитной характеристикой, конец первичной обмотки трансформатора подключен к отрицательному входному выводу регулятора, конец вторичной обмотки трансформатора подключен к аноду диода, а его катод подключен к одному из выводов конденсатора, другой вывод конденсатора подключен к началу вторичной обмотки трансформатора, LC-фильтр, вход которого, связанный с дросселем, подключен к катоду диода, выходной вывод LC-фильтра, связанный с другим концом дросселя образует выходной положительный вывод регулятора, другой выходной вывод LC-фильтра является отрицательным выходным выводом регулятора и соединен с входным отрицательным выводом, образуя общую отрицательную шину, катоды двух дополнительных вентилей подключены к началу вторичной обмотки трансформатора, причем анод первого вентиля подклинен к началу первичной обмотки трансформатора, а анод второго вентиля подключен к общей шине регулятора. 2 ил.

Импульсный регулятор постоянного напряжения, содержащий транзистор p-n-p-типа, эмиттер которого подключен к положительному входному выводу регулятора, коллектор подключен к началу первичной обмотки трансформатора с линейной магнитной характеристикой, конец первичной обмотки трансформатора подключен к отрицательному входному выводу регулятора, конец вторичной обмотки трансформатора подключен к аноду диода, а его катод подключен к одному из выводов конденсатора, другой вывод конденсатора подключен к началу вторичной обмотки трансформатора, LC-фильтр, вход которого, связанный с дросселем, подключен к катоду диода, выходной вывод LC-фильтра, связанный с другим концом дросселя, образует выходной положительный вывод регулятора, другой выходной вывод LC-фильтра является отрицательным выходным выводом регулятора и соединен с входным отрицательным выводом, образуя общую отрицательную шину, отличающийся тем, что в него введены два дополнительных вентиля, катоды которых подключены к началу вторичной обмотки трансформатора, причем анод первого вентиля подключен к началу первичной обмотки трансформатора, а анод второго вентиля подключен к общей шине регулятора.