ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в модулях электропитания.

Известно устройство питания с защитой, описанное в авт. свид. СССР № 1104623 по МПК Н 02 М 3/335 за 1984 г., содержащее переключающий транзистор, трансформатор, диодный выпрямитель и фильтр, причем начало первичной обмотки трансформатора соединено с плюсовым входным выводом, конец первичной обмотки трансформатора соединен с коллектором переключающего транзистора, эмиттер которого связан с минусовым входным выводом, а вторичная обмотка трансформатора через диодный выпрямитель и фильтр связана с плюсовым и минусовым выходными выводами для подключения нагрузки.

Недостатком известного устройства является относительно ненадежный его запуск с помощью запускающего резистора, связывающего своими выводами коллектор и базу переключающего транзистора, и конденсатора, включенного между базой переключающего транзистора и минусовым входным выводом. К величине емкости этого конденсатора предъявляются противоречивые требования с позиций запуска и с позиций режима работы устройства, что приводит к низкому КПД.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является преобразователь постоянного напряжения, описанный в патенте РФ № 2076444, выданном по заявке № 94036047/07 по МПК Н 02 М 3/335 от 28.09.1994 г., содержащий переключающий транзистор, трансформатор, выпрямитель, фильтр, базовый резистор, блок управления (в прототипе - регулирующий транзистор), плюсовой и минусовой входные и выходные выводы, причем начало первичной обмотки трансформатора связано с плюсовым входным выводом, конец первичной обмотки трансформатора соединен со стоком переключающего транзистора, исток которого связан с минусовым входным выводом, а вторичная обмотка трансформатора через диодный выпрямитель и фильтр связана с плюсовым и минусовым выходными выводами, при этом первый вход блока управления соединен с плюсовым выходным выводом, а выход блока управления через базовый резистор связан с затвором переключающего транзистора.

Недостатком известного преобразователя является использование в его блоке управления в цепи обратной связи второй вторичной обмотки трансформатора, которая является относительно грубым элементом управления, что существенно снижает КПД преобразователя и приводит к нестабильности его выходных напряжения и тока.

Целью изобретения является существенное увеличение КПД преобразователя при повышении стабильности его выходных параметров за счет одновременного использования двух согласованных обратных связей с выхода преобразователя - по напряжению и непосредственно из цепи переключающего транзистора - по току, обеспечивающих близкое к оптимальному управление переключающим транзистором.

Указанная цель достигается тем, что преобразователь постоянного напряжения, содержащий переключающий транзистор, трансформатор, выпрямитель, фильтр, базовый резистор, блок управления, плюсовой и минусовой входные и выходные выводы, причем первый вывод базового резистора соединен с затвором переключающего транзистора, исток которого связан с минусовым входным выводом, начало первичной обмотки трансформатора связано с плюсовым входным выводом, конец первичной обмотки трансформатора соединен со стоком переключающего транзистора, а вторичная обмотка трансформатора через выпрямитель и фильтр связана соответственно с плюсовым и минусовым выходными выводами первого канала блока каналов нагрузки, отличается тем, что он также содержит трансформатор тока, а в качестве блока управления содержит шим-контроллер, оптопару, управляющий транзистор и операционный усилитель, а также два дросселя, четыре диода, стабилитрон, двадцать резисторов и девять конденсаторов, при этом начало первичной обмотки трансформатора связано с плюсовым входным выводом и первым выводом первого резистора через маловитковую первичную обмотку трансформатора тока, начало вторичной обмотки которого через прямо включенный четвертый диод соединен с первыми выводами двенадцатого, тринадцатого и четырнадцатого резисторов, а конец вторичной обмотки которого соединен с вторыми выводами тринадцатого и четырнадцатого резисторов, с первыми выводами третьего, седьмого, восьмого и девятого резисторов, с первыми выводами первого, третьего, четвертого и пятого конденсаторов, с входами обратной связи и общим шим-контроллера, с концом обмотки первого дросселя и с минусовым входным выводом, который через девятый конденсатор соединен с минусовым выходным выводом первого канала блока каналов нагрузки и с концом обмотки второго дросселя, начало которой через третий диод соединено с первыми выводами четвертого резистора, оптопары, пятнадцатого резистора и шестого конденсатора, второй вывод которого соединен с первыми выводами восемнадцатого и девятнадцатого резистора, с минусовым выходным выводом первого канала блока каналов нагрузки и с первым входом операционного усилителя, второй вход которого соединен с первыми выводами седьмого и восьмого конденсаторов, с вторыми выводами восемнадцатого и девятнадцатого резисторов и с первыми выводами шестнадцатого и семнадцатого резисторов, вторые выводы которых соединены с вторым выводом пятнадцатого резистора и плюсовым выводом выпрямителя первого канала блока каналов нагрузки.

Второй вывод оптопары соединен с вторым выводом четвертого резистора и с первыми выводами пятого и шестого резисторов, вторые выводы которых соединены с вторым выводом седьмого конденсатора, с выходом операционного усилителя и с первым выводом двадцатого резистора, второй вывод которого соединен с вторым выводом восьмого конденсатора, второй вывод седьмого резистора соединен с третьим выводом оптопары, четвертый вывод которого соединен с вторым выводом восьмого резистора, а пятый вывод которого соединен с первым выводом второго конденсатора, с входом компаратора шим-контроллера и через прямо включенный второй диод с вторым выводом третьего резистора и с входом включения/выключения преобразователя, вторые выводы второго конденсатора и девятого резистора соединены между собой, вход питания шим-контроллера соединен с вторым выводом первого резистора, вторым выводом первого конденсатора и первым выводом второго резистора и через обратно включенный стабилитрон с вторыми выводами пятого конденсатора, двенадцатого резистора, с первым выводом одиннадцатого резистора и с входом контроля тока шим-контроллера, вход частотозадающей цепочки которого соединен с вторым выводом четвертого конденсатора, базой управляющего транзистора и первым выводом десятого резистора, второй вывод которого соединен с вторым выводом третьего конденсатора, с коллектором управляющего транзистора и выходом опорного напряжения шим-контроллера, выход последовательности импульсов которого соединен с вторым выводом базового резистора, второй вывод второго резистора соединен через обратно включенный первый диод с началом обмотки первого дросселя, эмиттер управляющего транзистора соединен с вторым выводом одиннадцатого резистора.

Сущность изобретения состоит в уменьшении потерь энергии в переключающем транзисторе путем сужения импульсов управляющей им последовательности при росте тока этого транзистора и наоборот.

Технический результат изобретения состоит в повышении КПД на 10% относительно КПД прототипа.

На чертеже представлена принципиальная электрическая схема преобразователя.

Преобразователь содержит переключающий транзистор 1 с полевым транзистором 1.1 и относящимися к нему резисторами 1.2, 1.3 и конденсатором 1.4, трансформатор 2 с первичной 2.1 и вторичными 2.2, 2.3,...2. к+1 обмотками, выпрямитель 3 с диодами 3.1 и 3.2, выходной фильтр 4 с конденсаторами 4.1, 4.2, 4.3 и 4.4, дросселями 4.5 и 4.6 и резисторами 4.7 и 4.8, базовый резистор 5, блок 6 управления, трансформатор 7 тока с первичной 7.1 и вторичной 7.2 обмотками, входной фильтр 8 с конденсаторами 8.1 и 8.2 и дросселем 8.3, плюсовой 9 и минусовой 10 входные выводы и плюсовой 11 и минусовой выходные выводы, а также вход 13 включения/выключения и блок 14 каналов 14.1, 14.2,... 14.к нагрузки, где к - число независимых каналов.

Блок 6 управления, в свою очередь, содержит шим-контроллер 6.1, оптопару 6.2, управляющий транзистор 6.3, операционный усилитель 6.4, первый 6.5 и второй 6.6 дроссели, первый 6.7, второй 6.8, третий 6.9 и четвертый 6.10 диоды, стабилитрон 6.11, первый 6.12, второй 6.13, третий 6.14, четвертый 6.15, пятый 6.16, шестой 6.17, седьмой 6.18, восьмой 6.19, девятый 6.20, десятый 6.21, одиннадцатый 6.22, двенадцатый 6.23, тринадцатый 6.24, четырнадцатый 6.25, пятнадцатый 6.26, шестнадцатый 6.27, семнадцатый 6.28, восемнадцатый 6.29, девятнадцатый 6.30 и двадцатый 6.31 резисторы, первый 6.32, второй 6.33, третий 6.34, четвертый 6.35, пятый 6.36, шестой 6.37, седьмой 6.38, восьмой 6.39 и девятый 6.40 конденсаторы.

При этом первый вывод базового резистора 5 соединен с затвором переключающего транзистора 1, исток которого связан с минусовым входным выводом 10, конец первичной обмотки 2.1 трансформатора 2 соединен со стоком переключающего транзистора 1, а вторичная обмотка 2.2 трансформатора 2 через выпрямитель 3 и фильтр 4 связана соответственно с плюсовым 11 и минусовым 12 выходными выводами первого канала 14.1 блока 14 каналов нагрузки, начало первичной обмотки 2.1 трансформатора 2 связано с плюсовым входным выводом 9 и первым выводом первого резистора 6.12 через маловитковую первичную обмотку 7.1 трансформатора 7 тока, начало вторичной обмотки 7.2 которого через прямо включенный четвертый диод 6.10 соединен с первыми выводами двенадцатого 6.23, тринадцатого 6.24 и четырнадцатого 6.25 резисторов, а конец вторичной обмотки 7,2 которого соединен с вторыми выводами тринадцатого 6.24 и четырнадцатого 6.25 резисторов, с первыми выводами третьего 6.14, седьмого 6.18, восьмого 6.19 и девятого 6.20 резисторов, с первыми выводами первого 6.32, третьего 6.34, четвертого 6.35 и пятого 6.36 конденсаторов, со входами обратной связи и общим шим-контроллера 6.1, с концом обмотки 6.5 первого дросселя и с минусовым входным выводом 10, который через девятый конденсатор 6.40 соединен с минусовым выходным выводом 12 первого канала 14.1 блока 14 каналов нагрузки и с концом обмотки 6.6 второго дросселя, начало которой через третий диод 6.9 соединено с первыми выводами четвертого резистора 6.15, оптопары 6.2, пятнадцатого резистора 6.26 и шестого конденсатора 6.37, второй вывод которого соединен с первыми выводами восемнадцатого 6.29 и девятнадцатого 6.30 резисторов, с минусовым выходным выводом 12 первого канала 14.1 блока 14 каналов нагрузки и с первым входом операционного усилителя 6.4, второй вход которого соединен с первыми выводами седьмого 6.38 и восьмого 6.39 конденсаторов, с вторыми выводами восемнадцатого 6.29 и девятнадцатого 6.30 резисторов и с первыми выводами шестнадцатого 6.27 и семнадцатого 6.28 резисторов, вторые выводы которых соединены с вторым выводом пятнадцатого резистора 6.26, плюсовым выводом выпрямителя 3 первого канала 14.1 блока 14 каналов нагрузки, второй вывод оптопары 6.2 соединен с вторым выводом четвертого резистора 6.15 и с первыми выводами пятого 6.16 и шестого 6.17 резисторов, вторые выводы которых соединены со вторым выводом седьмого конденсатора 6.38, с выходом операционного усилителя 6.4 и первым выводом двадцатого резистора 6.31, второй вывод которого соединен со вторым выводом восьмого конденсатора 6.39.

Второй вывод седьмого резистора 6.18 соединен с третьим выводом оптопары 6.2, четвертый вывод которой соединен с вторым выводом восьмого резистора 6.19, а пятый вывод которой соединен с первым выводом второго конденсатора 6.33, с входом компаратора шим-контроллера 6.1 и через прямо включенный второй диод 6.8 с вторым выводом третьего резистора 6.14 и входом 13 включения/выключения преобразователя, вторые выводы второго конденсатора 6.33 и девятого резистора 6.20 соединены между собой, вход питания шим-контроллера 6.1 соединен с вторым выводом первого резистора 6.12, вторым выводом первого конденсатора 6.32 и первым выводом второго резистора 6.13 и через обратно включенный стабилитрон 6.11 с вторыми выводами пятого конденсатора 6.36, двенадцатого резистора 6.23, с первым выводом одиннадцатого резистора 6.22 и с входом контроля тока шим-контроллера 6.1, вход частотозадающей цепочки которого соединен с вторым выводом четвертого конденсатора 6.35, базой управляющего транзистора 6.3 и первым выводом десятого резистора 6.21, второй вывод которого соединен с вторым выводом третьего конденсатора 6.34, с коллектором управляющего транзистора 6.3 и выходом опорного напряжения шим-контроллера 6.1, выход последовательности импульсов которого соединен с вторым выводом базового резистора 5, второй вывод второго резистора 6.13 соединен через обратно включенный первый диод 6.7 с началом обмотки первого дросселя 6.5, эмиттер управляющего транзистора 6.3 соединен с вторым выводом одиннадцатого резистора 6.22.

В качестве комплектующих элементов в преобразователе используются широко применяемые в промышленности электрорадиоэлементы, например для 15-ваттного двухканального преобразователя наилучшие результаты (КПД 85%) получены автором при использовании:

- полевого транзистора IRF640S (эл. 1.1);

- шим-контроллера UC3843BVD1 (эл. 6.1);

- оптопары IL207A (эл. 6.2);

- транзистора ВС8471В или КТ3130А9 (эл. 6.3);

- микросхемы TL431ID (TL431CD) (эл. 6.4);

- трансформатора МП140К15-7-4, 8 (эл. 2);

- трансформатора М2000НМ1К7-4-2 (эл. 7).

Фильтры 4 и 8 и выпрямитель 3 выходят за рамки рассматриваемого технического решения и могут иметь другие схемы исполнения.

Резисторы 4.8, 6.17, 6.25, 6.27 и 6.29 могут отсутствовать и приведены на чертеже как подстроечные.

Устройство работает следующим образом.

После подачи на входы 9 и 10 преобразователя исходного (преобразуемого) постоянного напряжения его плюсовой и минусовой потенциалы соответственно прикладываются к шим-контроллеру 6.1 (на 6.1.7 - плюс, на 6.1.5 - минус).

Через вход 13 включения/выключения шим-контроллера 6.1 последний активизируется и начинает на своем выходе 6.1.6 формировать "бесконечную" последовательность импульсов (до выключения через тот же вход 13 с некоторой частотой их следования, например 100 кГц), которая задается параметрами RC-цепочки из резистора 6.21 и конденсатора 6.35, включенной между выводами опорного напряжения и общей шины 6.1.8 и 6.1.5 соответственно, средняя точка которой связана с частотозадающим входом 6.1.4 шим-контроллера 6.1.

Эта последовательность импульсов через базовый резистор 5 подается на затвор переключающего транзистора 1, открывая и закрывая его с частотой следования этих импульсов. Благодаря этому с помощью первичной 2.1 и вторичной 2.2 обмоток трансформатора 2 происходит высокочастотное преобразование входного постоянного напряжения, приложенного к выводам 9 и 10, в импульсное напряжение на вторичной обмотке 2.2, которое через выпрямитель 3 и фильтр 4 поступает на выводы 11 и 12 для питания нагрузки.

При чрезмерном возрастании тока, протекающего через транзистор 1, происходят нежелательные потери энергии, поэтому при достижении определенного значения этого тока на обмотке 7.1 трансформатора 7 тока, выполняющего функции токоизмерительного элемента, выделяется соответствующее напряжение, которое затем трасформируется на вторичную обмотку 7.2 и далее через элементы 6.10 и 6.23 (при участии элементов 6.24, 6.25 и 6.36) прикладывается ко входу 6.1.3 контроля тока, а также - через элементы 6.22 и 6.3 к резистору 6.21 RC-цепочки, изменяя его значение. В результате этих двух процессов происходит тонкое импульсное управление транзистором 1: чем больше ток этого транзистора 1, тем уже импульс управления им, что снижает потери энергии, повышая КПД преобразования.

И, наоборот, при уменьшении тока транзистора 1 происходит расширение импульса управления, что приводит к росту значения тока.

Параллельно с управлением транзистором 1 по току осуществляется стабилизирующее управление им по напряжению, снимаемому с выхода канала 14.1 и прикладываемому через операционный усилитель 6.4 и оптопару 6.2 ко входу 6.1.1 шин-контроллера 6.1.

Аналогично работают и другие каналы 14.2,... 14.к.

Преобразователь постоянного напряжения, содержащий переключающий транзистор, трансформатор, выпрямитель, фильтр, базовый резистор, блок управления, плюсовой и минусовой входные и выходные выводы, отличается тем, что он также содержит трансформатор тока, а в качестве блока управления содержит шим-контроллер, оптопару, управляющий транзистор и операционный усилитель, а также два дросселя, четыре диода, стабилитрон, двадцать резисторов и девять конденсаторов. Технический результат - повышение КПД. 1 ил.

Преобразователь постоянного напряжения, содержащий переключающий транзистор, трансформатор, выпрямитель, фильтр, базовый резистор, блок управления, плюсовой и минусовой входные и выходные выводы, причем первый вывод базового резистора соединен с затвором переключающего транзистора, исток которого связан с минусовым входным выводом, начало первичной обмотки трансформатора связано с плюсовым входным выводом, конец первичной обмотки трансформатора соединен со стоком переключающего транзистора, а вторичная обмотка трансформатора через выпрямитель и фильтр связана соответственно с плюсовым и минусовым выходными выводами первого канала блока каналов нагрузки, отличающийся тем, что он также содержит трансформатор тока, а в качестве блока управления содержит шим-контроллер, оптопару, управляющий транзистор и операционный усилитель, а также два дросселя, четыре диода, стабилитрон, двадцать резисторов и девять конденсаторов, при этом начало первичной обмотки трансформатора связано с плюсовым входным выводом и первым выводом первого резистора через маловитковую первичную обмотку трансформатора тока, начало вторичной обмотки которого через прямо включенный четвертый диод соединен с первыми выводами двенадцатого, тринадцатого и четырнадцатого резисторов, а конец вторичной обмотки которого соединен со вторыми выводами тринадцатого и четырнадцатого резисторов, с первыми выводами третьего, седьмого, восьмого и девятого резисторов, с первыми выводами первого, третьего, четвертого и пятого конденсаторов, со входами обратной связи и общим шим-контроллера, с концом обмотки первого дросселя и с минусовым входным выводом, который через девятый конденсатор соединен с минусовым выходным выводом первого канала блока каналов нагрузки и с концом обмотки второго дросселя, начало которой через третий диод соединено с первыми выводами четвертого резистора, оптопары, пятнадцатого резистора и шестого конденсатора, второй вывод которого соединен с первыми выводами восемнадцатого и девятнадцатого резисторов, с минусовым выходным выводом первого канала блока каналов нагрузки и с первым входом операционного усилителя, второй вход которого соединен с первыми выводами седьмого и восьмого конденсаторов, со вторыми выводами восемнадцатого и девятнадцатого резисторов и с первыми выводами шестнадцатого и семнадцатого резисторов, вторые выводы которых соединены со вторым выводом пятнадцатого резистора и плюсовым выводом выпрямителя первого канала блока каналов нагрузки, второй вывод оптопары соединен со вторым выводом четвертого резистора и с первыми выводами пятого и шестого резисторов, вторые выводы которых соединены со вторым выводом седьмого конденсатора, с выходом операционного усилителя и с первым выводом двадцатого резистора, второй вывод которого соединен со вторым выводом восьмого конденсатора, второй вывод седьмого резистора соединен с третьим выводом оптопары, четвертый вывод которой соединен со вторым выводом восьмого резистора, а пятый вывод которой соединен с первым выводом второго конденсатора, со входом компаратора шим-контроллера и через прямо включенный второй диод со вторым выводом третьего резистора и со входом включения/выключения преобразователя, вторые выводы второго конденсатора и девятого резистора соединены между собой, вход питания шим-контроллера соединен со вторым выводом первого резистора, вторым выводом первого конденсатора и первым выводом второго резистора и через обратно включенный стабилитрон со вторыми выводами пятого конденсатора, двенадцатого резистора, с первым выводом одиннадцатого резистора и со входом контроля тока шим-контроллера, вход частотозадающей цепочки которого соединен со вторым выводом четвертого конденсатора, базой управляющего транзистора и первым выводом десятого резистора, второй вывод которого соединен со вторым выводом третьего конденсатора, с коллектором управляющего транзистора и выходом опорного напряжения шим-контроллера, выход последовательности импульсов которого соединен со вторым выводом базового резистора, второй вывод второго резистора соединен через обратно включенный первый диод с началом обмотки первого дросселя, эмиттер управляющего транзистора соединен со вторым выводом одиннадцатого резистора.