ОДНОТАКТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к области электроники и может быть использовано в источниках вторичного электропитания при широком диапазоне колебаний входного напряжения.

Известен однотактный преобразователь постоянного напряжения с прямым включением выходного диода (прямоходовой), содержащий силовой трансформатор, первичная обмотка которого через регулирующий транзистор соединена с входными выводами преобразователя, вторичная обмотка через выпрямительный диод и выходной LCD-фильтр соединена с выходными выводами преобразователя, размагничивающая обмотка соединена через диод с входными выводами преобразователя; и блок управления процессом коммутации транзистора (журнал «Практическая силовая электроника» №20, 2005 г., с.8, рис.1а).

Недостатком является подключение размагничивающей обмотки к входным выводам преобразователя, т.к. при этом напряжение на регулирующем транзисторе поднимается до высокого уровня и достигает удвоенной величины максимального входного напряжения преобразователя 2 U_{вх.макс} при коэффициенте заполнения, близком к 0,5. Для снижения напряжения на регулирующем транзисторе можно уменьшить коэффициент заполнения, т.е. уменьшить время открытого состояния транзистора. Это приводит к неэффективному использованию периода коммутации транзистора, а значит, и к снижению КПД.

Данная схема преобразователя предполагает для подключения обратной связи по напряжению два варианта гальванической развязки: подключение блока управления к выходным выводам преобразователя через оптическую развязку или использование дополнительной обмотки на выходном дросселе LCD-фильтра. Оптическая развязка усложняет схему, увеличивает габариты конструкции и удорожает ее. При использовании второго варианта гальванической развязки недостатком является низкая устойчивость обратной связи, что снижает надежность конструкции. Это особенно проявляется при использовании параллельной работы двух прямоходовых преобразователей, имеющих общий дроссель. Напряжение обратной связи при этом присутствует на обмотке дросселя в паузе между открытым состоянием транзисторов обоих преобразователей, и когда коэффициент заполнения близок к 0,5, пауза становится слишком короткой, а обратная связь неустойчивой.

Известен также однотактный преобразователь постоянного напряжения по авторскому свидетельству СССР №936287, Н 02 М 3/335, принятый за прототип, как наиболее близкий по технической сущности и достигаемому результату и содержащий силовой трансформатор, первичная обмотка которого через регулирующий транзистор соединена с входными выводами преобразователя, вторичная обмотка через выпрямительный диод и выходной LCD-фильтр соединена с выходными выводами преобразователя, размагничивающая обмотка через дополнительный транзистор соединена с выходными выводами преобразователя, блок управления, выход которого соединен с цепью управления регулирующего транзистора и цепью обратной связи.

Недостатком данной схемы является наличие транзистора в цепи размагничивания, управление которым осуществляется напряжением, снимаемым с выходного дросселя. Это снижает надежность устройства, т.к. во время прямого хода преобразователя, когда регулирующий транзистор открыт, напряжение на выходном дросселе зависит от входного напряжения, что повышает риск пробоя входа транзистора. Требуются дополнительные меры для защиты входа транзистора от пробоя запирающим (обратным) напряжением.

Данная схема преобразователя предполагает для осуществления гальванически развязанной обратной связи использование оптической развязки, недостатком которой является большое количество радиоэлементов. Это усложняет схему, увеличивая габариты конструкции и удорожая ее.

Задачей изобретения является повышение надежности, снижение габаритов и стоимости конструкции при соблюдении условия допустимого намагничивания сердечника.

Предлагаемый однотактный преобразователь постоянного напряжения содержит силовой трансформатор, первичная обмотка которого через регулирующий транзистор соединена с входными выводами преобразователя, вторичная обмотка через выпрямительный диод и выходной LCD-фильтр соединена с выходными выводами преобразователя, размагничивающая обмотка соединена с выходными выводами преобразователя, и блок управления, выход которого соединен с цепью управления регулирующего транзистора и цепью обратной связи.

В отличие от прототипа силовой трансформатор снабжен дополнительной обмоткой, включенной в цепь обратной связи, один конец которой через выпрямительный диод связан с входом блока управления, а другой связан с входом преобразователя, размагничивающая обмотка соединена с выходом преобразователя через диод, а отношение витков первичной обмотки к обмотке размагничивания соответствует выражению

где n₁ - количество витков первичной обмотки;

n_p - количество витков обмотки размагничивания;

U_вх.мин - нижнее значение диапазона колебаний входного напряжения;

U_вых - величина стабилизированного выходного напряжения;

γ - отношение времени открытого стояния регулирующего транзистора t_отк к периоду следования импульсов Т.

Введение дополнительной обмотки трансформатора и включение ее одним концом к входу блока управления, а другим - к входу преобразователя обеспечивает организацию обратной связи по напряжению по примеру обратноходового однотактного преобразователя.

1. Это уменьшает количество используемых радиоэлементов, снижая габариты и стоимость конструкции по сравнению с использованием в прототипе оптической развязки. При этом выполняется необходимое равенство

U_о.с=U_вых·K_тр

K_тр=n_о.с./n_p,

где U_вых - величина стабилизированного выходного напряжения;

U_o.c - напряжение на обмотке обратной связи;

K_тр - коэффициент трансформации;

n_о.с- количество витков обмотки обратной связи,

n_p - количество витков обмотки размагничивания.

2. По сравнению с возможным вариантом использования в аналоге дополнительной обмотки на выходном дросселе LCD-фильтра для организации обратной связи предлагаемая схема повышает устойчивость обратной связи, что повышает надежность конструкции. Это особенно важно при использовании параллельной работы двух прямоходовых преобразователей, имеющих общий дроссель.

Для предотвращения недопустимого намагничивания (насыщения) сердечника должно соблюдаться условие, вытекающее из формулы (1):

Трансформатор рассчитывают таким образом, что при минимальном входном напряжении время открытого стояния транзистора (время прямого хода) не превышает 0,5 периода коммутации, следовательно, при минимальном входном напряжении условие (2) соблюдается, т.к.

U_вых·n₁/n_p≥U_вх.мин, а γ<1-γ

При повышении входного напряжения, исходя из принципа ШИМ-регулирования, γ уменьшается и, соответственно, увеличивается 1-γ.

Таким образом, условие (2) соблюдается во всем диапазоне изменений входного напряжения.

Соединение размагничивающей обмотки с выходом преобразователя через диод является более простым и надежным решением, так как диод, правильно выбранный по допустимому напряжению, предусматривает большие колебания запирающего напряжения.

Таким образом, все заявляемые признаки являются существенными и решают поставленную задачу.

На чертеже представлена принципиальная схема однотактного преобразователя постоянного напряжения.

Предлагаемый преобразователь содержит силовой трансформатор 1, первичная обмотка 1.1 которого через регулирующий транзистор 2 соединена с входными выводами преобразователя, дополнительная первичная обмотка 1.2, включенная в цепь обратной связи, вторичная обмотка 1.3 через выпрямительный диод 3 и выходной LCD-фильтр 4 соединена с выходными выводами преобразователя, размагничивающая обмотка 1.4 через диод 5 соединена с выходными выводами преобразователя; и блок управления 6, например ШИМ контроллер. Дополнительная первичная обмотка 1.2 одним концом связана с входом блока управления 6 через выпрямительный диод 7, а другим связана с входом преобразователя. В цепь обратной связи включен конденсатор 8.

Направление намотки обмотки размагничивания 1.4 и обмотки обратной связи 1.2 выполнено таким, что диоды 5 и 7 открыты во время обратного хода, когда регулирующий транзистор 2 закрывается.

Преобразователь работает следующим образом. Регулирующий транзистор 2 коммутируется импульсами от ШИМ-контроллера 6. При открытом транзисторе 2 входное напряжение U_вх прикладывают к первичной обмотке 1.1, оно трансформируется во вторичную обмотку 1.3 и через открытый выпрямительный диод 3 и дроссель выходного LCD-фильтра 4 передается в нагрузку. После закрывания транзистора 2 полярность напряжения на обмотках силового трансформатора 1 меняется на противоположную. Выпрямительный диод 3 закрывается, диоды 5 и 7 открываются. Энергия, накопленная в силовом трансформаторе 1, через диод 5 рекуперируется в нагрузку. На размагничивающей обмотке 1.4 устанавливается напряжение, равное выходному напряжению. На обмотке обратной связи 1.2 устанавливается напряжение, пропорциональное выходному, т.к. оно фиксируется размагничивающей обмоткой 1.4, подключенной к выходу преобразователя. Это напряжение с обмотки обратной связи 1.2 через диод 7 поступает на вход ШИМ-контроллера 6 и устанавливает длительность импульсов, обеспечивающую стабилизацию выходного напряжения.

Изобретение направлено на повышение надежности, снижение габаритов и стоимости конструкции при соблюдении условия допустимого намагничивания сердечника. Указанный технический результат достигается тем, что преобразователь содержит силовой трансформатор, первичная обмотка которого через регулирующий транзистор соединена с входными выводами преобразователя, вторичная обмотка через выпрямительный диод и выходной LCD-фильтр соединена с выходными выводами преобразователя, размагничивающая обмотка соединена с выходом преобразователя через диод, блок управления, выход которого соединен с цепью управления регулирующего транзистора и цепью обратной связи. Силовой трансформатор снабжен дополнительной обмоткой, включенной в цепь обратной связи, один конец которой через выпрямительный диод связан с входом блока управления, а другой связан с входом преобразователя, отношение витков первичной обмотки к обмотке размагничивания соответствует выражению

n₁/n_p≥(U_вх.мин/U_вых)·[γ/(1-γ)],

где n₁ - количество витков первичной обмотки;

n_p - количество витков обмотки размагничивания,

U_вх.мин - нижнее значение диапазона колебаний входного напряжения;

U_вых - величина стабилизированного выходного напряжения;

γ - отношение времени открытого стояния регулирующего транзистора t_отк к периоду следования импульсов Т. 1 ил.

Однотактный преобразователь постоянного напряжения, содержащий силовой трансформатор, первичная обмотка которого через регулирующий транзистор соединена с входными выводами преобразователя, вторичная обмотка через выпрямительный диод и выходной LCD-фильтр соединена с выходными выводами преобразователя, размагничивающая обмотка соединена с выходными выводами преобразователя; и блок управления, выход которого соединен с цепью управления регулирующего транзистора и цепью обратной связи, отличающийся тем, что силовой трансформатор снабжен дополнительной обмоткой, включенной в цепь обратной связи, один конец которой через выпрямительный диод связан с входом блока управления, а другой связан с входом преобразователя, размагничивающая обмотка соединена с выходом преобразователя через диод, а отношение витков первичной обмотки к обмотке размагничивания соответствует выражению:
n₁/n_р≥(U_вх.мин/U_вых)·[γ/(1-γ)],
где n₁ - количество витков первичной обмотки;
n_р - количество витков обмотки размагничивания;
U_вх.мин - нижнее значение диапазона колебаний входного напряжения;
U_вых - величина стабилизированного выходного напряжения;
γ - отношение времени открытого стояния регулирующего транзистора t_отк к периоду следования импульсов Т.