ТРАНСФОРМАТОР ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК H02M3/337 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в качестве преобразователей постоянного напряжения в постоянное для систем вторичного электропитания.

Известны трансформаторы постоянного напряжения (ТПН), предназначенные для преобразования постоянного напряжения первичной сети в постоянное напряжение одного либо нескольких источников вторичной сети [1]. В отличие от широкого класса управляемых и стабилизированных источников вторичного электропитания группа ТПН объединяет неуправляемые преобразователи, обеспечивающие гальваническую развязку и трансформаторное согласование первичного и вторичных напряжений.

Основой реализации ТПН является инвертор, преобразующий первичное постоянное напряжение в переменное напряжение, которое трансформируется до необходимых значений и выпрямляется, образуя источники с заданными вторичными напряжениями.

В известных ТПН могут использоваться инверторы с внешним возбуждением, выполненные по двухтактным [2] либо полумостовым [3] схемам транзисторных ключевых усилителей мощностей (КУМ). В состав известных устройств входят ключевой усилитель мощности, шины питания которого соединены с шинами первичного напряжения, входы управления подключены к выходам задающего генератора, а выходы подключены к первичной обмотке трансформатора, вторичные обмотки которого через выпрямитель и выходной фильтр соединены с шинами вторичного напряжения [2, 3].

Использование ключевого режима работы и высокой частоты переключений (десятки и сотни кГц) транзисторов КУМ позволяет повысить КПД преобразования и заметно снизить массу и габариты известных ТПН по сравнению с силовыми трансформаторами промышленной частоты (50 Гц). Внешнее управление транзисторов КУМ, выполненных по известным схемам [2, 3], осуществляется от задающего генератора противофазными сигналами типа меандр. В результате на первичных и вторичных обмотках трансформатора формируется симметричное импульсное напряжение, что обеспечивает формирование вторичных напряжений при минимальных габаритах выходных фильтров. Достоинствами известных ТПН являются стабильные нагрузочные характеристики в условиях изменения выходного тока в широких пределах, вместе с тем выделенное преимущество связано с потерей устойчивости работы в пусковых режимах при работе на емкостной фильтр, а также при токовой перегрузке и коротком замыкании нагрузки. Другим недостатком известных устройств является повышенный уровень высокочастотных (ВЧ) помех, связанных с импульсным формированием фронтов выходного напряжения и прерыванием контуров протекания тока. В элементах КУМ при типовой мощности от 100 до 1000 Вт, нагруженных непосредственно на выходной трансформатор, наблюдается изменение потенциалов со скоростью более 1000 В/мкс при изменении тока более чем на 100 А/мкс. Такие импульсные процессы приводят к кондуктивным и индуктивным ВЧ помехам, проникающим в шины вторичных напряжений, что ухудшает характеристики качества выходных напряжений известных ТПН и препятствует их применению в функциональной аппаратуре с повышенными требованиями электромагнитной совместимости (ЭМС).

Техническим решением, наиболее близким к предлагаемому по совокупности существенных признаков, является ТПН, описанный в статье [4]. В ТПН-прототипе устранены недостатки известных устройств посредством введения резонансной цепи, содержащей дроссель, включенный на выходе КУМ, и конденсатор, соединенный параллельно первичной обмотке трансформатора. Тем самым в ТПН реализуется инвертор резонансного типа, чем обеспечиваются улучшенные характеристики ЭМС и устойчивость работы в режиме токовой перегрузки и короткого замыкания.

ТПН - прототип (фиг.1) содержит задающий генератор 1, ключевой усилитель 2 мощности, выполненный на ключевых элементах 2.1, 2.2, включенных по полумостовой схеме, дроссель 3, конденсатор 4, емкостной делитель 5, трансформатор 6, выпрямитель 7 и выходной емкостной фильтр 8.

Преимуществом полумостовой схемы, реализованной в ТПН-прототипе, является использование конденсаторов емкостного делителя 5 как в качестве фильтра по напряжению питания, так и в качестве разделительных для трансформатора 6, что эквивалентно формированию на выходе КУМ напряжений +Е и -Е, равных половине первичного напряжения электропитания Е_о.

В известном устройстве (фиг.1) шины электропитания КУМ 2 и емкостного делителя 5 подключены параллельно к шинам первичного напряжения, входы управления КУМ 2 соединены с выходами задающего генератора, а выход через последовательно соединенные дроссель 3 и первичную обмотку трансформатора 6 подключен к средней точке емкостного делителя 5, в свою очередь первичная обмотка трансформатора соединена параллельно с конденсатором 4, а вторичная обмотка через соединенные последовательно выпрямитель 7 и выходной емкостной фильтр 8 подключена к шинам вторичного напряжения.

Работа ТПН-прототипа осуществляется следующим образом. Задающий генератор 1 формирует два противофазных импульсных сигнала типа меандр, поступающие на входы управления ключевых элементов 2.1, 2.2 КУМ 2. В результате на выходе КУМ 2 формируется симметричное импульсное напряжение амплитудой Е=Е_о/2, поступающее на вход резонансного фильтра, выполненного на дросселе 3 и конденсаторе 4. Изменение напряжения на конденсаторе 4 осуществляется по плавной траектории, определяемой резонансной частотой

где L - индуктивность дросселя 3, С_Р - емкость конденсатора 4.

При нарастании напряжения на конденсаторе 4 до уровня U_н·K_Т (где К_Т - коэффициент трансформации трансформатора 6, U_н - выходное напряжение на нагрузке) ток i_L дросселя 3 замыкается через трансформатор 6, диоды выпрямителя 7 и выходной емкостной фильтр 8 в нагрузку. Переключение ключевых элементов КУМ 2 обеспечивает изменение тока i_L, перезаряд конденсатора 4 и формирование другой полуволны напряжения на входах выпрямителя.

Достоинством ТПН-прототипа является формирование трапециевидного (квазисинусоидального) напряжения на первичной обмотке трансформатора, что обуславливает улучшенные характеристики ЭМС. Однако изменение напряжения на выходе КУМ имеет импульсный характер, скорость изменения напряжения так же, как в известных устройствах [1-3], достигает 1000 В/мкс. Соответственно в ТПН-прототипе наблюдается кондуктивный перенос импульсных ВЧ помех в шины вторичного напряжения, что является недостатком ТПН.

Достоинством устройства-прототипа [4] по сравнению с известными ТПН [1-3] является также устойчивая работа в режимах токовой перегрузки и короткого замыкания. Действительно наличие дросселя 3 на выходе КУМ обеспечивает ограничение выходного тока, амплитуда которого в режиме короткого замыкания не превышает значения

где ω_n=2πf_n - частота переключении КУМ, L - индуктивность дросселя 3, Е₀ - напряжение питания.

Таким образом, без токовой перегрузки могут быть обеспечены пусковые режимы и работа устройства на нагрузку сопротивлением меньше номинальной до короткого замыкания включительно.

Вместе с тем, ТПН-прототип обладает низкой стабильностью нагрузочных характеристик. С увеличением сопротивления нагрузке выходное напряжение возрастает. В режиме, близком к холостому ходу в элементах резонансной цепи (дроссель 3, конденсатор 4) и ключевых элементах КУМ 2, наблюдается неконтролируемое возрастание тока, приводящее к выходу из строя усилительных приборов.

При использовании в многоканальных системах электропитания низкая стабильность выходных напряжений ТПН-прототипа может приводить к зависимости вторичных напряжений отдельных потребителей от нагрузки других потребителей, что недопустимо и ограничивает область применения ТПН.

Задачей настоящего изобретения является повышение стабильности нагрузочных характеристик ТПН при улучшении характеристик качества выходных вторичных напряжений.

Для решения поставленной задачи в известном ТПН, содержащем ключевой усилитель, шины электропитания которого подключены к входам первого емкостного делителя и к шинам первичного напряжения, задающий генератор, соединенный прямым и инверсным выходом соответственно к первому и второму входу ключевого усилителя, выход которого через последовательно соединенные дроссель и конденсатор подключен к средней точке емкостного делителя, причем параллельно конденсатору подключена первичная обмотка трансформатора, вторичная обмотка которого через выпрямитель и емкостной фильтр соединена с шинами вторичного напряжения, введены новые признаки, а именно первая и вторая схема задержки включения, первый и второй диоды и второй емкостной делитель, включенный между шинами первичного напряжения и подсоединенный средней точкой к выходу ключевого усилителя, первый и второй входы которого через первую и вторую схемы задержки включения соединены с прямым и инверсным выходом задающего генератора, при этом первый и второй диоды включены последовательно обратной проводимостью межу шинами первичного напряжения, а средняя точка соединения диодов подключена к точке соединения дросселя и конденсатора.

Для многоканальной нагрузки, где обеспечивается формирование ряда групп вторичных напряжений для нескольких отдельных потребителей, в заявленный ТПН введены n дополнительных дросселей и n дополнительных конденсаторов, n дополнительных емкостных делителей и n дополнительных трансформаторов, каждый из которых содержит одну первичную и k вторичных обмоток, а также N=kn дополнительных выпрямителей и N дополнительных емкостных фильтров, причем n дополнительные дроссели и конденсаторы включены между выходом ключевого усилителя и средними точками соответствующих n дополнительных емкостных делителей, входы которых подключены к шинам первичного напряжения. В свою очередь первичные обмотки n дополнительных трансформаторов включены параллельно соответствующим n дополнительным конденсаторам, a k вторичных обмоток каждого из n дополнительных трансформаторов подключены через соответствующие последовательно включенные дополнительные выпрямители и емкостные фильтры к шинам N вторичных выходных напряжений.

Техническими результатами от использования изобретения являются повышение стабильности нагрузочных характеристик за счет применения дополнительных рекуперативных диодов (через которые идет процесс замыкания тока самоиндукции дросселя в емкостной фильтр, чем достигается возврат избыточной энергии резонансного фильтра), а также улучшение характеристик качества вторичных напряжений посредством обеспечения квазирезонансной траектории изменения выходного напряжения ключевого усилителя, что особенно важно при работе ТПН на многоканальную нагрузку.

Сущность изобретения поясняется фиг.1-5, где на фиг.1 приведена структурная схема ТПН-прототипа, на фиг.2 - структурная схема предлагаемого ТПН, на фиг.3 - структурная схема ТПН для многоканальной нагрузки, на фиг.4 - временные диаграммы сигналов, поясняющие принцип действия заявленного технического решения, на фиг.5 - спектрограммы собственных шумов усилителей, приведенных к их входам, при питании аппаратуры от ТПН-прототипа (фиг.5а) и от предлагаемого ТПН (фиг.5б).

Предлагаемый ТПН (фиг.2) содержит задающий генератор 1, ключевой усилитель 2 мощности, выполненный на двух ключевых элементах 2.1, 2.2, дроссель 3, конденсатор 4, первый емкостной делитель 5, трансформатор 6, выпрямитель 7, емкостной фильтр 8, а также схемы 9, 10 задержки включения, выполненные на RD-цепях, второй емкостной делитель 11 и рекуперативные диоды 12, 13.

Многоканальный ТПН для многоканальной нагрузки, представленный на фиг.3, содержит задающий генератор 1, схемы 9, 10 задержки включения, ключевой усилитель 2 мощности, первый емкостной делитель 5, второй емкостной делитель 11, а также n+1 каналов квазирезонансных трансформаторно-выпрямительных устройств, каждый канал i (где i=1...n+1) содержит дроссель 3i, конденсатор 4i, диоды 12i, 13i и трансформатор 6i с одной первичной и k вторичными обмотками, а также k выпрямителей 7.i.l...7.i.k и k емкостных фильтров 8.i.k.

Предлагаемая схема ТПН обеспечивает формирование n+1 групп по k вторичных напряжений U.i.l...U.i.k с высокой стабильностью в условиях изменения нагрузки в широких пределах.

Работа предлагаемого ТПН осуществляется следующим образом. Задающий генератор 1 формирует два противофазных импульсных сигнала, которые через схемы 9, 10 задержки включения поступают на входы управляемых ключевых элементов 2.1, 2.2. Схемы 9, 10 выполняются на RD-цепях (фиг.2), обеспечивающих плавное нарастание фронта управляющих напряжений U₁, U₂ на входах ключевых элементов 2.1, 2.2 и их быстрое выключение при формировании спада импульсов. Таким образом в предлагаемом ТПН реализуется задержка τ₃ включения, во время которой ключевые элементы 2.1, 2.2 одновременно находятся в закрытом состоянии. При этом траектория изменения V выходного напряжения КУМ 2 формируется перезарядом емкостей делителя 11 током дросселя 3. Затем ток дросселя меняет направление и осуществляется перезаряд конденсатора 4 до напряжения Е, при котором открываются рекуперативные диоды 12 либо 13. При этом амплитуда напряжения на первичной обмотке остается неизменной для сопротивления нагрузки в диапазоне R_н>R₀ от номинального значения до холостого хода. Соответственно поддерживается постоянство выпрямленного вторичного напряжения.

В случае перегрузки при уменьшении сопротивления нагрузки R_н от номинального значения до короткого замыкания выходное напряжение уменьшается из условия поддержания максимальной амплитуды выходного тока.

Граничный режим работы при максимальной выходной мощности обеспечивается при равенстве R_н=R₀. В этом случае вся энергия, запасенная в дросселе 3 при перезаряде конденсатора 4, передается в нагрузку за вычетом энергии, достаточной для перезаряда конденсаторов делителя 11.

Для каждого полупериода работы устройства можно выделить моменты времени t₁, t₂, t₃, t₄, t₅ (фиг.4) и соответствующие временные интервалы, определяющие работу схемы,

Δt_1.2 - временной интервал перезаряда суммарной емкости С_о, конденсаторов второго емкостного делителя 11;

Δt_2.3 - время проводимости обратных диодов ключевых элементов 2.1 либо 2.2;

Δt_3.4 - временной интервал перезаряда емкости С_р конденсатора 4;

Δt_4.5 - время протекания тока через транзисторы ключевых элементов 2.1 либо 2.2.

Формирование квазирезонансной траектории переключения возможно при выполнении двух условий. Во-первых, энергия индуктивности L дросселя 3 к моменту выключения проводящего ключевого элемента и соответствующая максимальному I_м выходному току КУМ должна быть достаточной для изменения напряжения на емкости С_о на величину 2Е

Во-вторых, время задержки τ₃ должно быть достаточным для перезаряда емкости С_о и не превышать времени проводимости обратных диодов ключевых элементов 2.1, 2.2

Δt_1.2≤τ₃≤Δt_1.2+Δt_2.3

При выполнении этих условий скорость изменения выходного напряжения КУМ 2 не превышает значения

Время перезаряда конденсатора 4 в предлагаемом устройстве, соответствующее квазигармоническому изменению напряжения U_с (фиг.4), составляет

где

Максимальная амплитуда i_L (фиг.4) выходного тока КУМ 2 в номинальном режиме, соответствующем максимальному выходному току i_M выпрямителя, определяется выражением

где

При выборе параметров схемы из условия получения характеристической частоты ω_o=(2-3)ω_р для частоты переключении ω_п=2π/T (T - период переключений), равной ω_п=(0,3-0,5)ωр, обеспечивается изменение амплитуды выходного тока КУМ 2 не более чем на 20-30% в широком диапазоне изменения нагрузки от режима короткого замыкания до режима холостого хода (XX).

Для диапазона нагрузок от R_н до XX в предлагаемом устройстве обеспечивается постоянное вторичное напряжение, величина которого определяется первичным напряжением Е_и, коэффициентом трансформации трансформатора 6 U_н=К_τЕ.

В свою очередь, использование схем 9, 10 задержки включения в сочетании с включением емкостного делителя 11 позволяет обеспечить плавные траектории изменения напряжений во всех элементах схемы. Тем самым достигается практическое устранение кондуктивных ВЧ помех, проникающих в шины вторичного напряжения через проходные емкости электромагнитных элементов и паразитные объемные емкости несущего конструктива устройства.

Проведенный анализ работы предлагаемого устройства подтверждает решение задачи повышения стабильности нагрузочных характеристик ТПН при улучшении показателей качества выходных вторичных напряжений посредством введения новой совокупности существенных признаков.

Проведенные экспериментальные исследования выявили преимущества заявленного технического решения ТПН по сравнению с аналогами и прототипом. В устройстве-прототипе при изменении нагрузки в диапазоне от номинального значения R_н=R_o до R_н=10 R₀ вторичное напряжение изменяется более чем в два раза, а размах ВЧ пульсации достигает 1%. В предлагаемом устройстве при тех же условиях изменение вторичного напряжения не превышает 10% при размахе ВЧ пульсаций менее 0,2%. При этом предлагаемое устройство обеспечивает устойчивую работу в режимах токовой перегрузки и короткого замыкания.

Указанные достоинства схемы ТПН могут быть эффективно использованы в многоканальных системах вторичного электропитания, обеспечивающих формирование вторичных напряжений для различных групп потребителей с различными режимами работы.

Достоинством схемы фиг.3 является отсутствие влияния режимов токовой перегрузки, возможных в одной из n групп выходных напряжений, на формирование других групп вторичных напряжений. Такая характеристика многоканального ТПН является необходимым условием его использования в многофункциональных устройствах с большим количеством групп потребителей. Совокупность вновь введенных блоков и связей обеспечивает решение задачи расширения функциональных возможностей предлагаемого ТПН при улучшенных показателях ЭМС и повышении стабильности нагрузочных характеристик.

Для апробации технических преимуществ предлагаемого устройства по сравнению с известными ТПН были изготовлены экспериментальные образцы многоканальных ИВЭП (источников вторичного электропитания) по известным схемам [1-3] и по предлагаемой схеме (фиг.3).

Экспериментальные образцы использовались для электропитания приемной аппаратуры гидроакустических широкополосных систем с полосой частот от сотен Гц до десятков кГц. Были проведены исследования собственных шумов, приведенных к входу приемных усилителей, при питании аппаратуры от источников внешнего электропитания различного типа. Результаты измерений спектрограмм для двух вариантов электропитания представлены на фиг.5а,б. Анализ результатов измерений показывает, что собственные шумы приемной аппаратуры при электропитании от предлагаемого ТПН (фиг.5б) значительно (более чем на 20 дБ) меньше, чем при питании от известных ТПН. В спектре шумов (фиг.5б) практически отсутствуют (менее 0,1 мкВ) составляющие частот переключения (50-60 кГц), а составляющие в рабочей полосе частот приемной аппаратуры не превышают 0,2 мкВ. При электропитании от известного устройства в полосе рабочих частот шумы достигают 10 мкВ, а составляющие частоты переключения достигают 50 мкВ. Соответственно улучшение характеристик ЭМС предлагаемого технического решения ТПН позволяет значительно улучшить характеристики приемной аппаратуры.

Таким образом, апробация предлагаемого и известных технических решений подтвердила несомненные преимущества заявленного устройства, которое может быть предложено к использованию для электропитания многофункциональной аппаратуры с повышенными требованиями к качеству вторичных напряжений электропитания.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Р.Северне, Г.Блум. "Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания" - М.: Энергоатомиздат, 1988 г. - 294 с.

2. Авторское свидетельство №1603511, МКИ Н 02 М 7/538. Двухтактный транзисторный конвертор / В.А.Александров и др., опубл. в БИ №40 от 30.10.90 г.

3. Авторское свидетельство №1628191, МКИ Н 03 К 5/02. Двухтактный конвертор / В.А.Александров и др., опубл. в БИ №6 от 15.02.91 г.

4. Импульсные источники питания: тенденции развития / Дж.Бассет. Электроника, 1988, №1, с.71-77.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в качестве преобразователей постоянного напряжения в постоянное для систем вторичного электропитания. Техническими результатами от использования изобретения являются повышение стабильности нагрузочных характеристик за счет применения дополнительных рекуперативных диодов (диодов, через которые идет процесс возврата накопленной энергии источника питания обратно в источник питания), а также улучшение характеристик качества вторичных напряжений посредством обеспечения квазирезонансной траектории изменения выходного напряжения ключевого усилителя, что особенно важно при работе ТПК на многоканальную нагрузку. Для достижения указанных технических результатов в трансформаторе постоянного напряжения, содержащем ключевой усилитель, шины электропитания которого подключены к входам первого емкостного делителя и к шинам первичного напряжения, задающий генератор, соединенный прямым и инверсным выходом соответственно к первому и второму входу ключевого усилителя, выход которого через последовательно соединенные дроссель и конденсатор подключен к средней точке емкостного делителя, причем параллельно конденсатору подключена первичная обмотка трансформатора, вторичная обмотка которого через выпрямитель и емкостной фильтр соединена с шинами вторичного напряжения, введены первая и вторая схема задержки включения, первый и второй диоды и второй емкостной делитель, включенный между шинами первичного напряжения и подсоединенный средней точкой к выходу ключевого усилителя, первый и второй входы которого через первую и вторую схемы задержки включения соединены с прямым и инверсным выходом задающего генератора, при этом первый и второй диоды включены последовательно обратной проводимостью между шинами первичного напряжения, а средняя точка соединения диодов подключена к точке соединения дросселя и конденсатора. Приведена также схема трансформатора постоянного напряжения, работающего на многоканальную нагрузку. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Преобразователь постоянного напряжения, содержащий ключевой усилитель, выполненный на двух ключевых элементах, включенных по полумостовой схеме, шины электропитания которого подключены к входам емкостного делителя и к шинам первичного напряжения, задающий генератор, выход ключевого усилителя через последовательно соединенные дроссель и конденсатор подключен к средней точке первого емкостного делителя, причем параллельно конденсатору подключена первичная обмотка трансформатора, вторичная обмотка которого через выпрямитель и емкостной фильтр соединена с шинами вторичного напряжения, отличающийся тем, что введены первая и вторая схемы задержки включения, первый и второй диоды и второй емкостной делитель, включенный между шинами первичного напряжения и подсоединенный средней точкой к выходу ключевого усилителя, первый и второй входы которого через первую и вторую схемы задержки включения соединены с прямым и инверсным выходом задающего генератора, при этом первый и второй диоды включены последовательно обратной проводимостью между шинами первичного напряжения, а средняя точка соединения диодов подключена к точке соединения дросселя и конденсатора.2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что введено n дополнительных дросселей и n дополнительных конденсаторов, n дополнительных емкостных делителей и n дополнительных трансформаторов, каждый из которых содержит одну первичную и k вторичных обмоток, а также N=kn дополнительных выпрямителей и N дополнительных емкостных фильтров, причем n дополнительные дроссели и конденсаторы включены между выходом ключевого усилителя и средними точками соответствующих n дополнительных емкостных делителей, входы которых подключены к шинам первичного напряжения, при этом первичные обмотки n дополнительных трансформаторов включены параллельно соответствующим n дополнительным конденсаторам, а k вторичных обмоток каждого из n дополнительных трансформаторов подключены через соответствующие последовательно включенные дополнительные выпрямители и емкостные фильтры к шинам N вторичных выходных напряжений.