СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК H02M3/338 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразователям напряжения постоянного тока в напряжение постоянного тока (DC/DC), получающим входное питание в широком диапазоне, и может быть использовано в источниках вторичного электропитания для потребителей различных объектов промышленного и военного назначения.

Известен блок питания, имеющий автоколебательный преобразователь последовательного резонанса (патент РФ №2330373, Н02М 3/338, от 07.05.2004 г.), содержащий диодную мостовую схему, два транзистора (TR1, TR2), управляющий трансформатор (Т1), катушку (L1) индуктивности, конденсатор (С4), трансформатор Т2, электромагнит Т3, разрядные конденсаторы (С6, С7), управляющий генератор (ГНР).

В известном преобразователе напряжения процессы существенно зависят от величины тока нагрузки. В частности, за счет использования магнитного усилителя невозможно добиться полноты регулировки преобразователя при изменяющемся во времени значении потребляемого тока нагрузки от его максимального значения до нулевого.

Известен стабилизированный преобразователь напряжения (патент РФ №2396686, Н02М 3/338, от 03.07.2008 г.), выбранный в качестве прототипа, содержащий два транзисторных ключа, антипараллельные диоды, первичный источник питания, силовой трансформатор, выходную обмотку силового трансформатора, двухтактный выпрямитель, сглаживающий LC-фильтр, нагрузку, первичную обмотку силового трансформатора, фильтрующий конденсатор, первый формирователь, второй формирователь, пусковые резисторы, усилитель сигнала рассогласования, источник опорного напряжения, элемент гальванической развязки, первую дополнительную обмотку трансформатора, вторую дополнительную обмотку трансформатора, времязадающую RC-цепь, вспомогательный выпрямитель, детектор напряжения.

Известный стабилизированный преобразователь напряжения имеет недостаток, состоящий в использовании сложной схемы управления коммутацией транзисторных ключей с помощью времязадающей RC-цепочки, формирователей, усилителя рассогласования, трансформатора с значительным количеством обмоток, что делает технологически сложным обеспечение его надежности.

Технической задачей заявляемого изобретения является повышение надежности путем упрощения схемы управления транзисторных ключей.

Для решении поставленной задачи предлагается стабилизированный преобразователь напряжения, содержащий первый и второй транзисторные ключи, первичный источник питания, силовой трансформатор, двухтактный выпрямитель, сглаживающий LC-фильтр, нагрузку, первый и второй формирователи импульса, гальваническую развязку, сток первого транзисторного ключа и исток второго транзисторного ключа подключены к разнополярным выводам первичного источника питания, исток первого транзисторного ключа и сток второго транзисторного ключа подключены к первичной обмотке силового трансформатора, вторичная обмотка которого через двухтактный выпрямитель подключена к сглаживающему LC-фильтру, к выходу которого и средней точке вторичной обмотки трансформатора подключена нагрузка, в который введены первый и второй линейные транзисторные стабилизаторы, генератор, управляемый напряжением, первый и второй драйверы тока, конденсатор, обводной диод, дроссель, датчик тока, прецизионный регулятор напряжения, емкостной делитель напряжения, резистивный делитель напряжения, причем выход генератора, управляемого напряжением, соединен с входом первого формирователя импульсов с фазой 0°, выход которого через гальваническую развязку соединен с входом первого драйвера тока, выход которого соединен с затвором первого транзисторного ключа, исток которого через конденсатор, первичную обмотку трансформатора, дроссель, датчик тока подключен к средней точке емкостного делителя напряжения, а сток подключен к положительной шине первичного источника питания, и с входом второго формирователя импульсов с фазой 180°, выход которого соединен с входом второго драйвера тока, выход которого соединен с затвором второго транзисторного ключа, сток которого подключен к истоку первого транзисторного ключа, а исток соединен с общей отрицательной шиной, выходы прецизионного регулятора выходного напряжения и датчика тока нагрузки соединены с затвором дополнительных транзисторов, сток которых подключен к средней точке резистивного делителя напряжения и входу генератора, управляемого напряжением, а исток к общей отрицательной шине, вход первого и второго линейных транзисторных стабилизаторов соединен с положительной шиной первичного источника питания, выход первого линейного транзисторного стабилизатора соединен с шиной питания генератора, управляемого напряжением, первого и второго формирователей импульса, второго драйвера тока, первой части гальванической развязки, выход второго линейного транзисторного стабилизатора соединен с шиной питания второй части гальванической развязки и первого драйвера тока.

На фиг.1 показана структурная схема стабилизированного преобразователя напряжения.

На фиг.2 показана временная диаграмма формирования управляющих импульсов при минимальном выходном напряжении и максимальном токе нагрузки.

На фиг.3 показана временная диаграмма формирования управляющих импульсов при выходном напряжении, отличающемся от минимального, и токе нагрузки, отличающемся от максимального.

На фиг.1 показано:

1 - первичный источник питания;

2 - генератор, управляемый напряжением (ГУН) (например, микросхема CD74HC4046AM96 ф. Texas~Instruments);

3 - формирователь импульса с фазой 0° (например, микросхема 74HC123D ф. NXP);

4 - формирователь импульса с фазой 180° (например, микросхема 74НС1230 ф. NXР);

5 - линейный транзисторный стабилизатор с выходным напряжением +5 В, +10 В;

6 - линейный транзисторный стабилизатор с выходным напряжением -5 В, -10 В;

7 - гальваническая развязка (например, микросхема ADuM1100BR ф. Analog~Devices);

8, 9 - драйвер тока затвора полевого транзистора (например, микросхема MIC4452BM ф. Micrel);

10 - первый транзисторный ключ - Р-канальный полевой транзистор (например, IXTR90P20P ф. IxyS);

11 - второй транзисторный ключ - N-канальный полевой транзистор (например, IRFP4668PbF ф. IRF);

12 - конденсатор;

13 - силовой трансформатор;

14, 15 - двухтактный выпрямитель (например, диод SBR40U200CT ф. Diodes Incorporated);

16 - обводной диод (например, диод SBR40U200CT ф. Diodes Incorporated);

17 - дроссель;

18, 19 - сглаживающий LC-фильтр;

20 - датчик тока;

21 - прецизионный регулятор напряжения;

22 - нагрузка;

23, 24 - емкостной делитель напряжения;

25 - резистивный делитель напряжения;

26, 27 - два дополнительный транзистора - N-канальные полевые транзисторы (например, транзистор ZXMN2B14FH ф. Zetex Semiconductors).

Функционирование стабилизированного преобразователя напряжения происходит следующим образом.

Напряжение первичного источника питания 1 включает схему, содержащую линейный транзисторный стабилизатор с выходным напряжением (+5 В, +10 В) 5, линейный транзисторный стабилизатор с выходным напряжением (-5 В, -10 В) 6, которые вырабатывают напряжение питания для схемы управления сразу после включения. Схема управления, состоящая из генератора, управляемого напряжением (ГУН), 2, вырабатывает управляющее напряжение U_гун (фиг.2) в виде меандра с частотой порядка 50 килогерц. Частота с генератора, управляемого напряжением (ГУН), одновременно поступает на формирователь импульса с фазой 0° 3 и формирователь импульса с фазой 180° 4. Последовательность импульсов с фазой 0° U1 (фиг.2) через гальваническую развязку 7 управляет драйвером тока 8 для открывания первого транзисторного ключа - Р-канального полевого транзистора 10, нагрузкой которого является первичная обмотка силового трансформатора 13, первый вывод которой через дроссель 17, датчик тока 20 подключен к средней точке емкостного делителя 23, 24, второй вывод через конденсатор 12, открытый Р-канальный полевой транзистор 10 подключается к положительной шине первичного источника питания. Последовательность импульсов с фазой 180° U2 (фиг.3) управляет драйвером тока 9 для открывания второго транзисторного ключа - N-канального полевого транзистора 11, нагрузкой которого является первичная обмотка силового трансформатора 13, второй вывод которого через конденсатор 12, открытый N-канальный полевой транзистор 11 подключается к общей отрицательной шине. Конденсаторы 23, 24 достаточно большой и одинаковой емкости образуют емкостной делитель (напряжение первичного источника питания делится пополам), одновременно выполняют функцию сглаживающего высокочастотного фильтра первичного источника питания. В результате переключения транзисторных ключей 10, 11 во вторичных обмотках силового трансформатора 13 наводятся импульсные ЭДС, которые затем выпрямляются двухтактным выпрямителем 14, 15, сглаживаются LC-фильтром 18, 19, к выходу которого и средней точке вторичной обмотки трансформатора подключена нагрузка 22. Обводной диод 16, имея малое сопротивление, открывается на этапе пауз работы полевых транзисторов 10, 11, таким образом, уменьшаются потери за счет уменьшения пути протекания тока дросселя. Значение выходного напряжения отслеживается прецизионным регулятором напряжения 21, в случае превышения значения выходного напряжения прецизионный регулятор открывает дополнительной транзистор 26, вход генератора, управляемого напряжением (ГУН), 2 оказывается притянут к общей отрицательной шине, тем самым снижается частота управляющих импульсов U_гун (фиг.3), время паузы t_паузы работы полевых транзисторов увеличивается. Одновременно отслеживается потребляемый ток нагрузки, для этого последовательно с первичной обмоткой силового трансформатора 13 включен датчик тока 20, в случае превышения допустимого тока нагрузки токовые импульсы, протекающие по первичной обмотке трансформатора, преобразовываются в напряжение, открывающее дополнительной транзистор 27, вход генератора, управляемого напряжением (ГУН), 2 оказывается притянут к общей отрицательной шине - частота управляющих импульсов снижается U_гун (фиг.3), время паузы t_паузы работы полевых транзисторов увеличивается. Таким образом, частота коммутации силовых транзисторов управляется минимальным количеством элементов, что улучшает габаритно-массовые характеристики и надежность стабилизированного преобразователя напряжения.

Конденсатор 12, дроссель 17 сглаживают импульсные напряжения, возникающие при переключениях полевых транзисторов 10, 11, за счет замедления скорости нарастания тока в первичной обмотке на этапе включения транзистора при относительно плавном нарастании напряжения на стоке.

Одним из преимуществ данного стабилизированного преобразователя напряжения за счет использования генератора, управляющего напряжением (ГУН), 2 является возможность миниатюризации схемы управления силовых ключей. Кроме того, в нем обеспечено одновременное регулирование частоты генератора в зависимости от выходного напряжения и тока нагрузки.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразователям напряжения постоянного тока в напряжение постоянного тока (DC/DC), получающим входное питание в широком диапазоне, и может быть использовано в источниках вторичного электропитания для потребителей различных объектов промышленного и военного назначения. Техническим результатом изобретения является повышение надежности путем упрощения схемы управления транзисторных ключей, качественная стабилизация выходного напряжения при нулевом и при максимальном токе нагрузки. Указанный технический результат достигается за счет применения генератора, управляемого напряжением (ГУН), формирователей импульсов с фазой 0° и 180°, драйверов тока для коммутации силовых транзисторных ключей, введением прецизионного регулятора напряжения и датчика тока нагрузки. Постоянное отслеживание значения выходного напряжения и тока нагрузки позволяет автоматически контролировать частоту импульсов управляющего генератора (ГУН), обеспечивая точность значения выходного напряжения при любом значении тока нагрузки. 3 ил.

Стабилизированный преобразователь напряжения, содержащий первый и второй транзисторные ключи, первичный источник питания, силовой трансформатор, двухтактный выпрямитель, сглаживающий LC-фильтр, нагрузку, первый и второй формирователи импульса, гальваническую развязку, сток первого транзисторного ключа и исток второго транзисторного ключа подключены к разнополярным выводам первичного источника питания, исток первого транзисторного ключа и сток второго транзисторного ключа подключены к первичной обмотке силового трансформатора, вторичная обмотка которого через двухтактный выпрямитель подключена к сглаживающему LC-фильтру, к выходу которого и средней точке вторичной обмотки трансформатора подключена нагрузка, отличающийся тем, что в него введены первый и второй линейные транзисторные стабилизаторы, генератор, управляемый напряжением, первый и второй драйверы тока, конденсатор, обводной диод, дроссель, датчик тока, прецизионный регулятор напряжения, емкостной делитель напряжения, резистивный делитель напряжения, причем выход генератора, управляемого напряжением, соединен с входом первого формирователя импульсов с фазой 0°, выход которого через гальваническую развязку соединен с входом первого драйвера тока, выход которого соединен с затвором первого транзисторного ключа, исток которого через конденсатор, первичную обмотку трансформатора, дроссель, датчик тока подключен к средней точке емкостного делителя напряжения, а сток подключен к положительной шине первичного источника питания, и с входом второго формирователя импульсов с фазой 180°, выход которого соединен с входом второго драйвера тока, выход которого соединен с затвором второго транзисторного ключа, сток которого подключен к истоку первого транзисторного ключа, а исток соединен с общей отрицательной шиной, выходы прецизионного регулятора выходного напряжения и датчика тока нагрузки соединены с затвором дополнительных транзисторов, сток которых подключен к средней точке резистивного делителя напряжения и входу генератора, управляемого напряжением, а исток к общей отрицательной шине, вход первого и второго линейного транзисторного стабилизатора соединен с положительной шиной первичного источника питания, выход первого линейного транзисторного стабилизатора соединен с шиной питания генератора, управляемого напряжением, первого и второго формирователя импульса, второго драйвера тока, первой части гальванической развязки, выход второго линейного транзисторного стабилизатора соединен с шиной питания второй части гальванической развязки и первого драйвера тока.