ОДНОТАКТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК H02M3/335 G05F1/565 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в системах электропитания устройств радиотехники, автоматики и вычислительной техники.

Известно применение в составе однотактного прямоходового преобразователя постоянного напряжения датчика тока, включенного последовательно с первичной обмоткой трансформатора и транзистором [1], [2], [3]. Наличие датчика тока в цепи первичной обмотки трансформатора устраняет возможность насыщения магнитопроводов трансформатора и дросселя выходного фильтра. Каждый из однотактных преобразователей - аналогов [1], [2], [3] содержит входные выводы для подачи постоянного напряжения питания, между входными выводами последовательно включены первичная обмотка трансформатора, транзистор и датчик тока, управляющий электрод транзистора соединен с выходным выводом схемы управления, вторичная обмотка трансформатора через выпрямитель и выходной фильтр соединена с выходными выводами однотактного преобразователя, выходные выводы однотактного преобразователя соединены с контуром стабилизации выходного напряжения, контур стабилизации выходного напряжения является частью схемы управления, работа контура стабилизации выходного напряжения происходит без учета текущего значения сигнала датчика тока. Другая часть схемы управления принимает сигнал датчика тока о превышении заданного уровня тока и формирует выключающее управляющее воздействие на транзистор независимо от режима работы контура стабилизации выходного напряжения. Недостатками такой схемы управления работой однотактного преобразователя являются:

- низкая устойчивость преобразователя к воздействию внешних возмущающих факторов (изменение уровня напряжения питания на входе или изменение нагрузки на выходе), переход к новому установившемуся режиму сопровождается колебаниями выходного напряжения;

- низкое быстродействие преобразователя, для перехода к новому установившемуся режиму (после завершения воздействия внешних возмущающих факторов) требуется сравнительно большой промежуток времени для затухания колебаний выходного напряжения.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является однотактный прямоходовый преобразователь постоянного напряжения с дополнительной обратной связью по току дросселя выходного фильтра [4], стр. 290. Схема прототипа выполнена с применением так называемого управления работой преобразователя в режиме пикового (максимального) тока дросселя выходного фильтра, в зарубежной литературе такой режим управления работой преобразователя обозначается «current mode», управление в режиме пикового тока дросселя выходного фильтра реализуется с помощью специализированных микросхем ШИМ-контроллеров [5]. Отличительной особенностью управления работой однотактного преобразователя в режиме пикового тока дросселя выходного фильтра является наличие двух типов контуров регулирования:

- внутренний (дополнительный, подчиненный) контур регулирования амплитуды тока дросселя выходного фильтра;

- основной (внешний) контур стабилизации выходного напряжения.

Работа контура регулирования тока подчинена контуру стабилизации выходного напряжения, взаимодействие между двумя типами контуров регулирования осуществляется ШИМ-контроллером. Из [4] известно, что наличие двух типов контуров регулирования в составе однотактного прямоходового преобразователя чрезвычайно благоприятно сказывается на его устойчивости и быстродействии. Для упрощения и удобства построения схемы в однотактных прямоходовых преобразователях, при формировании внутреннего токового контура регулирования, измеряется ток не дросселя выходного фильтра, а ток в цепи первичной обмотки трансформатора (ток транзистора), т.е. допускается применение различных моделей токового сигнала. Для нормальной работы ШИМ-контроллера, модель токового сигнала (форма токового сигнала) должна быть строго монотонной от момента времени включения транзистора до момента времени выключения транзистора. Схема прототипа содержит первый входной вывод для подачи положительного потенциала напряжения питания, общий провод, являющийся вторым входным выводом для подачи напряжения питания, между входными выводами однотактного преобразователя последовательно включены первичная обмотка трансформатора, транзистор и датчик тока, датчик тока резистивный, поэтому входные выводы датчика тока одновременно являются выходными выводами датчика тока, один из выводов датчика тока соединен с общим проводом, управляющий электрод транзистора соединен с соответствующим выводом ШИМ-контроллера, вторичная обмотка трансформатора через выпрямитель и выходной фильтр соединена с выходными выводами однотактного преобразователя, первый выходной вывод однотактного преобразователя соединен с выводом входа усилителя ошибки ШИМ-контроллера, второй выходной вывод однотактного преобразователя соединен с общим проводом. Так же, как и предлагаемое устройство, схема прототипа выполнена с применением специализированной микросхемы ШИМ-контроллера, позволяющей сформировать дополнительную обратную связь по току дросселя выходного фильтра (или току в цепи первичной обмотки трансформатора). В схеме прототипа, внутренний (дополнительный, подчиненный) токовый контур регулирования реализован соединением вывода датчика тока с выводом ШИМ-контроллера, предназначенным для контроля уровня тока, внешний (основной) контур стабилизации выходного напряжения реализован соединением первого выходного вывода преобразователя с выводом входа усилителя ошибки ШИМ-контроллера, причем, внутренняя структура ШИМ-контроллера построена таким образом, что выход усилителя ошибки ШИМ-контроллера соединен с одним из входов компаратора, второй вход компаратора является выводом ШИМ-контроллера, предназначенным для контроля уровня тока. Современная тенденция построения схем преобразователей состоит в том, что разработчики активно используют резонансные (квазирезонансные) колебания токов и напряжений на силовых элементах [6]. Недостатком прототипа, по сравнению с предлагаемым устройством, является то, что в схеме прототипа не может быть сформирован внутренний токовый контур регулирования, если форма тока в цепи первичной обмотки трансформатора будет обусловлена резонансными процессами на силовых элементах преобразователя.

Технический результат при использовании предлагаемого устройства заключается в том, что повышается устойчивость и быстродействие однотактного прямоходового преобразователя, в котором переключение транзистора происходит при нулевом (минимальном) значении тока в ходе квазирезонансного колебательного процесса на силовых элементах.

Технический результат достигается тем, что в однотактном преобразователе постоянного напряжения, работающем в квазирезонансном режиме, формируется внутренний токовый контур регулирования в дополнение к основному контуру стабилизации выходного напряжения, для формирования внутреннего токового контура регулирования используется токовый сигнал, равный разности токов первичной и вторичной обмоток трансформатора. Синтез необходимого токового сигнала и передача его на вывод ШИМ-контроллера, предназначенный для контроля уровня тока, выполняется в соответствии с отличительной частью формулы предлагаемого устройства: последовательно с вторичной обмоткой трансформатора включены входные выводы второго датчика тока, первый выходной вывод первого датчика тока соединен с первым выходным выводом второго датчика тока, второй выходной вывод второго датчика тока соединен с выводом ШИМ-контроллера, предназначенным для контроля уровня тока.

На фиг. 1 приведена схема однотактного преобразователя постоянного напряжения со следующими обозначениями: первый входной вывод 1; второй входной вывод 2; трансформатор 3; первичная обмотка трансформатора 3.1; вторичная обмотка трансформатора 3.2; транзистор 4; ШИМ-контроллер 5; первый датчик тока 6; второй датчик тока 7; выпрямитель 8; выходной фильтр 9; первый выходной вывод преобразователя 10; второй выходной вывод преобразователя 11; провод 12 внутреннего токового контура регулирования; провод 13 основного контура стабилизации выходного напряжения.

На фиг. 2 приведена схема однотактного преобразователя постоянного напряжения, при работе которого используется положительный эффект переключения транзистора при нулевом (минимальном) значении тока в ходе квазирезонансного колебательного процесса на силовых элементах. Схема на фиг. 2 отличается от схемы на фиг. 1 тем, что изменена конструкция выпрямителя 8 и изменена конструкция выходного фильтра 9. Обозначения элементов на фиг. 2 соответствуют обозначениям на фиг. 1.

На фиг. 3 приведена схема однотактного преобразователя постоянного напряжения, соответствующая п. 2 формулы изобретения, схема преобразователя дополнена RC-фильтром 14, остальные обозначения элементов на фиг. 3 совпадают с обозначениями элементов на фиг. 1.

На фиг. 4 представлены эпюры токов и напряжений, поясняющие работу схем на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3.

На фиг. 5 представлены осциллограммы сигналов, зафиксированных при работе реализованного на практике устройства.

Однотактный преобразователь постоянного напряжения (фиг. 1 и фиг. 2) содержит первый входной вывод для подачи положительного потенциала напряжения питания 1, общий провод 2, являющийся вторым входным выводом для подачи напряжения питания, между входными выводами однотактного преобразователя последовательно включены: первичная обмотка трансформатора 3.1, транзистор 4 и входные выводы первого датчика тока 6. Первый датчик тока 6 и второй датчик тока 7 имеют входные выводы и выходные выводы, причем первый выходной вывод датчиков тока отличается от второго выходного вывода датчиков тока более высоким значением потенциала выходного напряжения датчиков тока, если в схеме преобразователя в качестве первого датчика тока 6 применяется датчик тока резистивного типа, тогда входные выводы первого датчика тока являются одновременно выходными выводами первого датчика тока. Второй выходной вывод первого датчика тока 6 соединен с общим проводом. Управляющий электрод транзистора 4 соединен с соответствующим выходным выводом ШИМ-контроллера 5. Один из выводов питания ШИМ-контроллера 5 соединен с общим проводом 2. Вторичная обмотка трансформатора 3.2 через выпрямитель 8 и выходной фильтр 9 соединена с выходными выводами однотактного преобразователя 10 и 11. Первый выходной вывод 10 однотактного преобразователя соединен с выводом входа усилителя ошибки ШИМ-контроллера 5 с помощью провода 13, т.е. провод 13 образует основной контур стабилизации выходного напряжения. Второй выходной вывод 11 однотактного преобразователя соединен с общим проводом 2. Провод 12 образует внутренний токовый контур регулирования, причем отличительная часть формулы предлагаемого устройства описывает процедуру синтеза токового сигнала и подачу его с помощью провода 12 на вывод ШИМ-контроллера 5, предназначенный для контроля уровня тока, а именно: последовательно с вторичной обмоткой трансформатора 3.2 включены входные выводы второго датчика тока 7, первый выходной вывод первого датчика тока 6 соединен с первым выходным выводом второго датчика тока 7, второй выходной вывод второго датчика тока 7 соединен с выводом ШИМ-контроллера 5, предназначенным для контроля уровня тока.

Принцип работы предлагаемого устройства изложен с использованием эпюр напряжений и токов на фиг. 4. Рисунок фиг. 4 разделен на две части, в левой части изображены эпюры, соответствующие нормальному (отличному от квазирезонансного) режиму работы однотактного преобразователя, в правой части изображены эпюры, соответствующие режиму работы однотактного преобразователя, в котором переключение транзистора происходит при нулевом (минимальном) значении тока в ходе квазирезонансного колебательного процесса на силовых элементах. Известно, что ток в цепи первичной обмотки трансформатора однотактного преобразователя равен сумме токов: тока намагничивания и тока вторичной обмотки трансформатора [7], стр. 108. Та часть схемы предлагаемого устройства на фиг. 1, которая описывается отличительной частью формулы, выполняет функцию вычитания из сигнала первого датчика тока сигнала второго датчика тока, результат вычитания представляет собой ток намагничивания трансформатора. В левой части фиг. 4:

- эпюра Uвых. 5 показывает выходные импульсы ШИМ-контроллера 5, поступающие на управляющий электрод транзистора 4;

- эпюра i 3.1 показывает выходной сигнал первого датчика тока 6 (ток в цепи первичной обмотки трансформатора), характерный для однотактного прямоходового преобразователя, работающего в нормальном (не в квазирезонансном) режиме [4], стр. 290;

- эпюра i 3.2 показывает выходной сигнал второго датчика тока 7, т.е. ток в цепи вторичной обмотки трансформатора;

- эпюра i 5 показывает синтезированный токовый сигнал, равный разности токов первичной и вторичной обмоток трансформатора, т.е. ток намагничивания трансформатора 3, подаваемый на вход ШИМ-контроллера 5, предназначенный для контроля уровня тока.

Функция вычитания из сигнала первого датчика тока 6 сигнала второго датчика тока 7 выполняется благодаря тому, что первый выходной вывод первого датчика тока 6 соединен с первым выходным выводом второго датчика тока 7, а второй выходной вывод второго датчика тока 7 является выходным для синтезированного токового сигнала. Так же, как выходной сигнал первого датчика тока 6 (эпюра i 3.1 в левой части фиг. 4 в форме трапеции, уложенной на боковую сторону), полученный в результате синтеза токовый сигнал (эпюра i 5 в левой части фиг. 4 в форме треугольника) может быть использован для формирования внутреннего токового контура регулирования в дополнение к основному контуру стабилизации выходного напряжения, т.к. не содержит максимумов и минимумов между моментами времени включения и выключения транзистора. Таким образом, для однотактного прямоходового преобразователя постоянного напряжения, работающего в нормальном (не в квазирезонансном) режиме (фиг. 1), предлагаемая схема синтеза токового сигнала решает задачу расширения арсенала технических средств, направленных на формирование внутреннего токового контура регулирования в дополнение к основному контуру стабилизации выходного напряжения. В предлагаемом устройстве переход на квазирезонансный режим осуществлен за счет изменения конструкции выпрямителя 8 и изменения конструкции выходного фильтра 9 по сравнению со схемой прототипа (см. фиг. 2). Введение в состав выходного фильтра 9 резонансной индуктивности Lr и резонансной емкости Cr позволяет получить квазирезонансный колебательный процесс, аналогичный колебательному процессу, изложенному в [6], причем, резонансная индуктивность Lr может не присутствовать в схеме в явном виде, при определенных условиях свойства резонансной индуктивности Lr проявляет трансформатор 3. Для однотактного преобразователя постоянного напряжения в котором переключение транзистора происходит при нулевом (минимальном) значении тока в ходе квазирезонансного колебательного процесса на силовых элементах (фиг. 2), использование выходного сигнала первого датчика тока 6 для формирования внутреннего токового контура регулирования невозможно, т.к. этот сигнал (эпюра i 3-1 в правой части фиг. 4) имеет максимум в средней части импульса, между моментами времени включения и выключения транзистора 4. В правой части фиг. 4:

- эпюра Uвых. 5 показывает выходные импульсы ШИМ-контроллера 5, поступающие на управляющий электрод транзистора 4;

- эпюра i 3.1 показывает выходной сигнал первого датчика тока 6 (ток в цепи первичной обмотки трансформатора), характерный для однотактного прямоходового преобразователя, работающего в квазирезонансном режиме [6], стр. 82;

- эпюра i 3.2 показывает выходной сигнал второго датчика тока 7, т.е. ток в цепи вторичной обмотки трансформатора;

- эпюра i 5 показывает синтезированный токовый сигнал, равный разности токов первичной и вторичной обмоток трансформатора, т.е. ток намагничивания трансформатора 3, подаваемый на вход ШИМ-контроллера 5, предназначенный для контроля уровня тока.

Так же, как в схеме на фиг. 1, в схеме на фиг. 2 выполняется функция вычитания из сигнала первого датчика тока сигнала второго датчика тока, результат вычитания представляет собой ток намагничивания трансформатора 3, здесь следует обратить внимание на то, что эпюра i 5 в правой части фиг. 4 совпадает по форме с эпюрой i 5 в левой части фиг. 4. Полученный в результате преобразования (синтеза) токовый сигнал (эпюра i 5 в правой части фиг. 4) может быть использован для формирования внутреннего токового контура регулирования в дополнение к основному контуру стабилизации выходного напряжения, т.к. не содержит максимумов и минимумов между моментами времени включения и выключения транзистора 4. Необходимо отметить, что при использовании тока намагничивания трансформатора 3 для формирования внутреннего токового контура регулирования сохраняются защитные функции, характерные для схем аналогов и прототипа:

- насыщения магнитопровода трансформатора 3 не происходит, т.к. амплитуда тока намагничивания трансформатора контролируется в каждом цикле коммутации;

- насыщения магнитопроводов дросселей выходного фильтра не происходит, т.к. ток в нагрузке ограничивается максимальной энергией, накапливаемой в резонансной емкости Cr выходного фильтра 9.

Второй пункт формулы изобретения описывает тот факт, что передача токового сигнала от второго выходного вывода второго датчика тока 7 к выводу ШИМ-контроллера 5, предназначенного для контроля уровня тока, может быть выполнена с использованием RC-фильтра 14 (см. фиг. 3). Включение в схему RC-фильтра 14 с небольшой постоянной времени позволяет подавить высокочастотные коммутационные помехи в составе токового сигнала, это предотвращает сбои в работе однотактного преобразователя.

Предлагаемое устройство может быть реализовано на серийной элементной базе. Взаимодействие элементов схемы, изложенное при рассмотрении принципа работы однотактного преобразователя постоянного напряжения, подтверждается объективными данными. В реализованном на практике устройстве переключение транзистора происходит при нулевом (минимальном) значении тока, это достигнуто за счет наличия в составе выходного фильтра резонансной индуктивности Lr и резонансной емкости Cr (см. фиг. 2, фиг. 3). На фиг. 5 представлены осциллограммы сигналов, зафиксированных при работе реализованного на практике устройства. Первому щупу, регистрирующему напряжение на выводе ШИМ-контроллера, соединенному с управляющим электродом транзистора, на осциллограммах фиг. 5 соответствует эпюра Uвых 5 на фиг. 4 (правая часть). Второму щупу, регистрирующему ток в цепи первичной обмотки трансформатора, на осциллограммах фиг.5 соответствует эпюра i 3.1 на фиг. 4 (правая часть). Третьему щупу, регистрирующему токовый сигнал, поступающий на вывод ШИМ-контроллера, предназначенный для контроля уровня тока, на осциллограммах фиг. 5 соответствует эпюра i 5 на фиг. 4 (правая часть). Четвертому щупу, регистрирующему ток в цепи вторичной обмотки трансформатора на осциллограммах фиг. 5 (нижняя часть), соответствует эпюра i 3.2 на фиг. 4 (правая часть).

При рассмотрении осциллограмм на фиг. 5 можно отметить следующее:

- импульсные сигналы, зафиксированные при работе реализованного на практике устройства, в основном совпадают по форме и по фазе с эпюрами на фиг. 4 (правая часть);

- небольшое отличие реальных сигналов от идеализированных изображений не влияет на работоспособность устройства;

- регистрация сигнала напряжения на выводе ШИМ-контроллера, соединенного с управляющим электродом транзистора (щуп 1), сигнала тока в цепи первичной обмотки трансформатора (щуп 2) и синтезированного токового сигнала, поступающего на вывод ШИМ-контроллера, предназначенного для контроля уровня тока (щуп 3), проводилась одновременно, т.к. препятствий для одновременной регистрации этих сигналов нет, нулевое значение для этих сигналов равно потенциалу общего провода, эти сигналы изображены в верхней части фиг. 5;

- осциллограмма, регистрирующая ток в цепи вторичной обмотки трансформатора (щуп 4), не могла быть изображена на одном поле вместе с другими сигналами, т.к. потенциалы первого выходного вывода и второго выходного вывода второго датчика тока отличаются от потенциала общего провода (щупы осциллографа имеют соединение между собой через входные клеммы осциллографа, это создает недопустимый режим при попытке одновременной регистрации всех четырех сигналов);

- синтезированный токовый сигнал, поступающий на вывод ШИМ-контроллера, предназначенный для контроля уровня тока (щуп 3), имеет форму, которая позволяет организовать в составе однотактного преобразователя постоянного напряжения внутренний токовый контур регулирования.

Таким образом, в реализованном на практике устройстве сложная форма тока в цепи первичной обмотки трансформатора, обусловленная резонансными процессами на элементах выходного фильтра, преобразована в более простую (строго монотонную) для того, чтобы иметь возможность сформировать внутренний токовый контур регулирования в дополнение к основному контуру стабилизации выходного напряжения. Наличие двух типов контуров регулирования в составе однотактного преобразователя постоянного напряжения является достаточным условием для получения технического результата, который состоит в том, что повышается устойчивость и быстродействие устройства при воздействии внешних возмущающих факторов, таких как изменение питающего напряжения на входе или изменение нагрузки на выходе.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. US №4330816, H02H 7/122, опубл. 18.05.1982.

2. US №5465201, H02M 3/335, H02H 7/12, опубл. 07.11.1995.

3. US №6631064 B2, H02H 3/08, H02H 9/02, опубл. 07.10.2003.

4. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. - М.: Издательский дом «Додэка - XXI», 2005. - 528 с.

5. http://www.ti.com/ UCC38C43 BiCMOS Current Mode PWM Controller.

6. Эраносян С., Ланцов В. Квазирезонансные источники вторичного электропитания: проблемы, новый взгляд// Силовая электроника, №3, 2007. - С. 78-84.

7. Гончаров А. Начальная школа построения импульсных DC/DC преобразователей (первый класс)// Электронные компоненты, №6, 2002. - С. 106-111.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в системах электропитания устройств радиотехники, автоматики и вычислительной техники. Техническим результатом является то, что повышается устойчивость и быстродействие однотактного прямоходового преобразователя, в котором переключение транзистора происходит при нулевом (минимальном) значении тока в ходе квазирезонансного колебательного процесса на силовых элементах. Технический результат достигается за счет того, что на вывод ШИМ-контроллера, предназначенный для контроля уровня тока, подается сигнал, равный разности токов первичной и вторичной обмоток трансформатора, таким образом формируется внутренний токовый контур регулирования в дополнение к основному контуру стабилизации выходного напряжения. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Однотактный преобразователь постоянного напряжения, содержащий первый входной вывод для подачи положительного потенциала напряжения питания, общий провод, являющийся вторым входным выводом для подачи напряжения питания, между входными выводами однотактного преобразователя последовательно включены первичная обмотка трансформатора, транзистор и входные выводы первого датчика тока, первый выходной вывод датчиков тока отличается от второго выходного вывода датчиков тока более высоким значением потенциала выходного напряжения датчиков тока, второй выходной вывод первого датчика тока соединен с общим проводом, управляющий электрод транзистора соединен с соответствующим выводом ШИМ-контроллера, один из выводов питания ШИМ-контроллера соединен с общим проводом, вторичная обмотка трансформатора через выпрямитель и выходной фильтр соединена с выходными выводами однотактного преобразователя, первый выходной вывод однотактного преобразователя соединен с выводом входа усилителя ошибки ШИМ-контроллера, второй выходной вывод однотактного преобразователя соединен с общим проводом, отличающийся тем, что последовательно с вторичной обмоткой трансформатора включены входные выводы второго датчика тока, первый выходной вывод первого датчика тока соединен с первым выходным выводом второго датчика тока, второй выходной вывод второго датчика тока соединен с выводом ШИМ-контроллера.

2. Однотактный преобразователь постоянного напряжения по п. 1, отличающийся тем, что второй выходной вывод второго датчика тока соединен с выводом ШИМ-контроллера через RC фильтр.