ЭЛЕКТРОННЫЙ ТРАНСФОРМАТОР Российский патент 2004 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к преобразователям постоянного и переменного напряжения и может быть использовано в электротехнике и радиотехнике.

Известно устройство электрического трансформатора, преобразующее электрический ток, напряжение или сопротивление из одного значения в другое (Лосев А. К. "Линейные радиотехнические цепи", Высшая школа, 1971 г.), состоящее из одной первичной и одной или нескольких вторичных обмоток, индуктивно связанных между собой.

Электрический трансформатор имеет особенности, которые ограничивают область его применения:
1. Трансформатор работает только на переменном токе.

2. При работе на низких частотах в магнитной цепи трансформатора используется ферромагнитный сердечник, имеющий значительные массу и габариты.

3. При работе в широком диапазоне частот в устройствах усиления и преобразования сигналов трудно обеспечить равномерность параметров трансформатора по диапазону.

Известны устройства преобразования электрической энергии из одного вида и(или) значения в другой, работающие в импульсном режиме (Колосов В.А. "Электропитание стационарной радиоэлектронной аппаратуры", Радио и связь, 1992 г.) и состоящие из различных комбинаций таких функциональных элементов, как выпрямители, фильтры, управляемые и неуправляемые инверторы, усилители, компараторы и др.

Массогабаритные параметры этих устройств могут быть лучше, чем у трансформаторов, но они имеют те или иные из перечисленных ниже недостатков:
1. Значительно более низкий по сравнению с электрическим трансформатором кпд.

2. Большие помехи во внешних цепях.

3. Значительное искажение формы сигнала при передаче переменного напряжения.

4. Наличие гальванической связи между входом и выходом.

Область их применения - силовые преобразования постоянного и переменного напряжения без сохранения его формы.

Наиболее близким по технической сущности является устройство, описанное в заявке 93049617/07 (RU) от 27.10.1993 г. "Преобразователь (регулятор) переменного напряжения (его варианты)" и состоящее из симметричного или несимметричного ключа, связывающего источник входного напряжения и первичную обмотку трансформатора, вторичной обмотки и симметричного ключа, шунтирующего первичную обмотку, а управляющие выводы ключей связаны с источником, частота выходного сигнала которого значительно выше частоты входного напряжения.

Такое устройство способно выполнять преобразование как постоянного, так и, непосредственно без выпрямления, переменного напряжения.

Недостатками данного устройства являются невозможность преобразования с сохранением формы входного напряжения, узкий диапазон частот входного напряжения, значительные потери.

Целью настоящего изобретения является создание средствами импульсной техники устройства, называемого далее электронным трансформатором (ЭТ), близкого по свойствам электрическому трансформатору, т.е. двунаправленного, с гальванической развязкой эквивалентных обмоток, работающего в широком диапазоне частот, сохраняющего форму входного напряжения и имеющего повышенный (по отношению к устройствам импульсной техники) кпд, но имеющего лучшие частотные и массогабаритные параметры.

Указанная цель достигается тем, что в известном устройстве, состоящем из симметричного или несимметричного электронного ключа, связывающего источник входного напряжения и первичную обмотку трансформатора, вторичной обмотки, цепей размагничивания и устройства управления, добавлен симметричный или несимметричный ключ последовательно со вторичной обмоткой, соединяющий ее с выходом, причем и вторичных обмоток, и соответствующих ключей и выходов может быть несколько, каждая обмотка и соединенный с нею ключ образуют эквивалентную обмотку, а трансформатор вместе с эквивалентными обмотками образует один силовой блок, добавлены одна или две размагничивающие обмотки, введен дополнительно такой же силовой блок с размагничивающими обмотками, объединенный с описанным выше параллельно по входам и выходам, управление ключами обоих блоков осуществляется так, что ключи находятся в открытом состоянии (активной фазе) последовательно друг за другом с перекрытием активных фаз обоих блоков, а размагничивающая обмотка трансформатора каждого блока через цепи коммутации соединена либо с диссипативным устройством, либо с источником напряжения.

Достижение цели стало возможным ввиду того, что преобразование входного напряжения в выходное осуществляется по двум параллельным каналам двумя однотактными нерегулируемыми трансформаторными преобразователями с передачей энергии в активной фазе, имеющими коммутирующие элементы во всех обмотках и цепи для устранения подмагничивания и работающими последовательно друг за другом с перекрытием активных фаз.

На фиг.1 представлена блок-схема ЭТ, на фиг.2 приведен пример реализации симметричного высоковольтного сильноточного ключа на биполярных транзисторах, на фиг.3 приведены временные диаграммы работы ЭТ.

ЭТ состоит из двух одинаковых силовых блоков 1 и 2, устройства управления 3, содержащего схему управления силовыми блоками 4, и цепей размагничивания 5.

Силовые блоки соединены параллельно по входам 6, 7 и выходам 8, 9.

Оба силовых блока содержат идентичные высокочастотные импульсные трансформаторы, первичные обмотки 10 и 11 которых через электронные ключи 12 и 13 подключаются ко входу 6, 7. Вторичные обмотки 14 и 15 через аналогичные ключи 16 и 17 подключаются к выходу 8, 9.

Выходы схемы управления силовыми блоками 4 устройства управления 3 соединяются с управляющими входами 18-21 электронных ключей 12, 13, 16, 17.

Цепи размагничивания 5 содержат размещенные на обоих трансформаторах размагничивающие обмотки, которые через цепи коммутации подключаются к диссипативному устройству или к источнику напряжения, в качестве которого могут быть использованы либо дополнительный источник напряжения, либо дополнительная размагничивающая обмотка другого трансформатора.

Устройство работает следующим образом.

Входной сигнал 22 через управляемые электронные ключи 12, 13 поступает на первичные обмотки 10, 11 импульсных трансформаторов силовых блоков 1, 2, вторичные обмотки 14, 15 которых через аналогичные ключи 16, 17 подключены к выходу 8, 9.

На управляющие входы электронных ключей 18, 20 силового блока 1 от схемы управления силовыми блоками 4 устройства управления 3 подаются гальванически развязанные отпирающие импульсы 23, 24 с периодом Т
и длительностью τ либо
τ=Т/2 (меандр),
либо
τ>Т/2 (перекрывающиеся импульсы),
такие же импульсы 25, 26, но с временным сдвигом Т/2 поступают на входы ключей 19, 21 силового блока 2, обеспечивая в течение части периода перекрытие (одновременное нахождение в активной фазе) обоих каналов, вследствие чего на выходе 8, 9 от силового блока 1 выделяются импульсы 27, а от силового блока 2 выделяются импульсы 28, огибающая которых повторяет форму входного напряжения.

Использование для управления ключами импульсов в форме меандра возможно ввиду инерционности ключей, но для обеспечения гарантированного перекрытия каналов требует тщательного выбора элементной базы и режимов работы.

В результате объединения по ИЛИ двух последовательностей перекрывающихся импульсов 27 и 28 на выходе 8, 9 выделяется неискаженный, трансформированный относительно входного, выходной сигнал 29, неискаженный в том смысле, что устройство, собранное на идеализированных элементах, при работе от идеального источника напряжения на произвольную нагрузку искажений не вызывает. В реальных условиях искажения присутствуют всегда, но могут быть уменьшены до необходимой величины выбором элементной базы и режимов ее работы.

Во время пассивной фазы канала первичная и вторичная обмотки соответствующего трансформатора отключаются и энергия магнитной индукции, накопленная в его сердечнике (энергия намагничивания), выводится через его размагничивающую обмотку в источник напряжения или диссипативное устройство, а колебаниями этой энергии, величина которой может быть на несколько порядков меньше энергии, передаваемой в нагрузку, определяются помехи во внешних цепях преобразователя. Так как время пассивной фазы меньше времени активной фазы, то для полного вывода энергии намагничивания напряжение дополнительного источника, принимающего эту энергию, должно быть больше напряжения на размагничивающей обмотке во время активной фазы, а, в случае использования для приема энергии трансформатора активного канала, он должен иметь приемную дополнительную размагничивающую обмотку с большим, чем основная, числом витков.

Поскольку изменение состояния одного канала происходит при открытом другом канале и не вызывает коммутации тока нагрузки, то динамические потери в ключах определяются только разрядом выходных емкостей при включении и коммутацией токов намагничивания сердечников при выключении. Дополнительное уменьшение потерь достигается возвратом энергии намагничивания сердечников во время пассивной фазы в источник напряжения, работающий как преемник. Полоса пропускания такого ЭТ не зависит от частоты коммутации и находится в пределах от постоянного тока до частоты, определяемой ВЧ-параметрами импульсных трансформаторов. Отсутствие искажений определяется постоянством коэффициента передачи устройства в любой момент времени. Двунаправленность связана с симметрией преобразователя. Небольшие динамические потери позволяют увеличить частоту преобразования и, как следствие, улучшить массогабаритные показатели.

В зависимости от свойства ключей, применяемых в ЭТ (симметричные или несимметричные), меняется знак его допустимых входных сигналов. В ЭТ с несимметричными ключами допустимы постоянное и однополярное переменное напряжение соответствующего знака, а в ЭТ с симметричными ключами допустимы все виды сигналов.

Ввиду малого уровня создаваемых внешних помех во многих случаях можно обойтись без их дополнительного подавления. В случае необходимости можно использовать либо простой емкостный фильтр с сохранением кпд, но с сужением полосы пропускания, либо схему компенсации помехи с сохранением полосы пропускания, но со снижением кпд. Особенностью ЭТ, связанной с его двунаправленностью, является то, что один конденсатор, подключенный к любой из его эквивалентных обмоток, будет оказывать фильтрующее действие на все обмотки.

Если требуется полная симметрия (равенство импедансов относительно общего провода) выводов какой-либо из эквивалентных обмоток ЭТ, то эта обмотка может быть выполнена в виде двух секций с равным числом витков и переносом соответствующего ключа в место их соединения.

Поскольку ЭТ не является полнофункциональным автономным устройством, на его блок-схеме не показаны некоторые необходимые или желательные для его работы, но не имеющие отношения непосредственно к изобретению узлы, а именно блок питания, схемы фильтрации, устройство защиты от перегрузок и др.

Электронный трансформатор (ЭТ), способный выполнять преобразование напряжения с повторением его формы, двунаправленный, имеющий при гальваническом разделении эквивалентных обмоток полосу пропускания в пределах от постоянного тока до высоких частот, не зависящую от частоты преобразования, имеющий малые динамические потери и небольшой уровень внешних помех, содержащий два поочередно включающихся с перекрытием времен включения параллельных канала передачи энергии, каждый из которых представляет собой однотактный нерегулируемый трансформаторный импульсный преобразователь с передачей энергии в активной фазе (при открытых ключах), имеющий симметричные или несимметричные ключи последовательно со всеми обмотками, а также размагничивающие обмотки, цепи коммутации и общую схему управления. Технический результат - улучшение частотных и массогабаритных параметров. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Электронный трансформатор (ЭТ), состоящий из первичной обмотки импульсного трансформатора и электронного ключа, соединенных последовательно и подключенных к входным зажимам ЭТ, вторичных обмоток импульсного трансформатора, цепей размагничивания и схемы управления, отличающийся тем, что последовательно с каждой вторичной обмоткой введен электронный ключ, подключающий эту обмотку к отдельным выходным зажимам ЭТ, причем первичная и вторичные обмотки вместе с соответствующими ключами образуют один силовой блок, ко входным и выходным зажимам ЭТ параллельно подключен второй такой же силовой блок, а общая схема управления содержит формирователь импульсов управления силовыми блоками, выходы которого гальванически разделены и соединены со входами электронных ключей.2. ЭТ по п.1, отличающийся тем, что на сердечниках обоих импульсных трансформаторов имеется по одной размагничивающей обмотке, соединенной цепями коммутации с диссипативным устройством.3. ЭТ по п.1, отличающийся тем, что на сердечниках обоих импульсных трансформаторов имеется по одной размагничивающей обмотке, соединенной цепями коммутации с дополнительным источником напряжения.4. ЭТ по п.1, отличающийся тем, что на сердечниках обоих импульсных трансформаторов имеется по одной размагничивающей обмотке и одной дополнительной размагничивающей обмотке, соединенных цепями коммутации так, что размагничивающая обмотка трансформатора каждого канала соединяется с дополнительной размагничивающей обмоткой трансформатора другого канала.