ТРАНСФОРМАТОР ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК H02M3/337 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в качестве преобразователя 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]. ТПН обеспечивает 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).

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 решению по совокупности существенных признаков, является ТПН, описанный в патенте РФ №2267218 [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. В состав известного устройства входят ключевой усилитель мощности, шины питания которого соединены с шинами первичного напряжения, задающий генератор, соединенный прямым и инверсным выходами с первым и вторым входами ключевого усилителя мощности, выходы которого подключены к последовательно соединенным дросселю и конденсатору, причем параллельно конденсатору подключена первичная обмотка трансформатора, вторичная обмотка которого через выпрямитель и выходной фильтр соединена с шинами вторичного напряжения, при этом первый и второй диоды подключены обратной проводимостью последовательно между шинами первичного напряжения, а средняя точка соединения диодов подключена к точке соединения дросселя и конденсатора [4]. Структурная схема устройства-прототипа представлена на фиг. 1, а на Фиг. 2 приведены временные диаграммы.

ТПН-прототип (фиг. 1) содержит задающий генератор. 1, ключевой усилитель 2 мощности, дроссель 3, конденсатор 4, трансформатор 5, выпрямитель 6, выходной фильтр 7, первый и второй рекуперативные диоды 8, 9.

Преимуществом схемы, реализованной в ТПН-прототипе, является использование рекуперативных диодов 8, 9 в совокупности с дросселем 3 и конденсатором 4 для повышения устойчивости работы преобразователя при изменении параметров нагрузки в широких пределах в условиях реализации «мягких» траекторий переключения тока и напряжения.

Работа ТПН-прототипа осуществляется следующим образом.

Задающий генератор 1 формирует два противофазных импульсных сигнала, которые поступают на входы управления КУМ 2. При необходимости, для исключения сквозных токов через ключевые элементы КУМ 2, в задающем генераторе 1 может быть реализована задержка фронта выходных импульсных сигналов. Таким образом, реализуется задержка Т₃ включения, во время которой ключевые элементы КУМ 2 одновременно находятся в закрытом состоянии. При этом траектория изменения Е входного напряжения КУМ 2 (фиг. 2) формируется перезарядом собственной выходной емкости и током дросселя 3. Затем ток дросселя i_L меняет направление и осуществляется перезаряд конденсатора 4 до напряжения V, при котором открываются рекуперативные диод 8 либо 9. При этом амплитуда напряжения на первичной обмотке остается практически неизменной для сопротивления нагрузки в диапазоне R_H>R₀ от номинального значения до холостого хода. Соответственно, в этом диапазоне поддерживается относительное постоянство выпрямленного вторичного напряжения в условиях изменения выходного тока i_B выпрямителя.

В случае перегрузки при уменьшении сопротивления нагрузки R_H от номинального значения R₀ до короткого замыкания выходное напряжение уменьшается из условия поддержания максимальной амплитуды выходного тока.

Вместе с тем, ТПН-прототип не обеспечивает стабилизацию выходного напряжения при изменении величины первичного напряжения. Поскольку выходное напряжение определяется величиной первичного напряжения Е (с учетом соотношения витков трансформатора), то все изменения величины напряжения первичной электросети приводят к пропорциональному изменению выходного напряжения. Изменение величины параметров нагрузки также приводит к изменению величины выходного напряжения при нестабильности нагрузочной характеристикой устройства-прототипа порядка 10%.

Задачей настоящего изобретения является повышение стабильности выходного напряжения ТПН при дестабилизирующих факторах, связанных с изменением нагрузки и напряжения электропитания.

Для решения поставленной задачи в известный ТПН, содержащий ключевой усилитель, шины электропитания которого подключены к шинам первичного напряжения, задающий генератор, соединенный прямым и инверсным выходами соответственно с первым и вторым входами ключевого усилителя, к выходу которого подсоединены последовательно соединенные дроссель и конденсатор, причем параллельно конденсатору подключена первичная обмотка трансформатора, вторичная обмотка которого через выпрямитель и выходной фильтр соединена с шинами вторичного выходного напряжения, а также первый и второй диоды, включенные обратной проводимостью последовательно между шинами первичного напряжения, а средняя точка соединения диодов подключена к точке соединения дросселя и конденсатора, в состав предлагаемого стабилизированного трансформатора постоянного напряжения введены новые признаки, а именно: сигнальная обмотка трансформатора, дополнительный выпрямитель, емкостной фильтр, усилитель разностного сигнала, а задающий генератор выполнен управляемым по частоте и соединен входом управления к выходу усилителя разностного сигнала, первый вход которого подключен к шине опорного напряжения, а второй вход соединен через емкостной фильтр и дополнительный выпрямитель к сигнальной обмотке трансформатора.

Техническим результатом от использования изобретения является стабилизация выходного напряжения от воздействия дестабилизирующих факторов, связанных с изменением нагрузки и напряжения электропитания.

Сущность изобретения поясняется фиг. 3 и фиг. 4, где на фиг. 3 приведена структурная заявленного ТПН, на фиг. 4 временные диаграммы сигналов, поясняющие его принцип действия.

Предлагаемый ТПН (фиг. 3) содержит управляемый задающий генератор (УЗГ) 1 с входом управления, ключевой усилитель 2 мощности, дроссель 3, конденсатор 4, трансформатор 5 с первичной 5.1, вторичной 5.2 и дополнительной сигнальной обмоткой 5.3, выпрямитель 6, выходной фильтр 7, рекуперативные диоды 8, 9, дополнительный выпрямитель 10, емкостной фильтр 11, усилитель разностного сигнала 12.

Работа предлагаемого ТПН осуществляется следующим образом.

Управляемый задающий генератор 1 формирует два противофазных импульсных сигнала, подаваемые на входы управления КУМ2. В УЗГ1 реализуется задержка фронтов противофазных импульсных сигналов на время Т_з, в течение которого транзисторы КУМ2 одновременно находятся в закрытом состоянии. При этом траектория изменения Е выходного напряжения КУМ 2 формируется перезарядом собственной выходной емкости током дросселя 3. С учетом Т_з ток дросселя i_L, напряжение на первичной обмотке 5.1 трансформатора 5 V и выходной ток выпрямителя 6 i_B при заданном напряжении питания Е₀ будет иметь вид, приведенный на фиг. 4. Из чертежа видно, что при неизменных временах задержки Т_з и траекторий изменения V выходного напряжения, величина постоянной составляющей выпрямленного напряжения V₀ будет зависеть от частоты преобразования. Причем при повышении частоты переключений может достигаться понижение выходного напряжения. Это свойство используется для стабилизации выходного постоянного напряжения в предлагаемом ТПН. Для этого напряжение сигнальной обмотки 5.3 выходного трансформатора 5 поступает на дополнительный выпрямитель 10 и емкостной фильтр 11. С выхода фильтра постоянное напряжение обратной связи U_oc поступает на усилитель разностного сигнала 12, на другой вход которого подается опорное напряжение U_oп. Разностный сигнал U_p=U_oп-U_oc поступает на управляющий вход задающего генератора 1, который под его воздействием изменяет рабочую частоту и соответственно выходное напряжение таким образом, чтобы разностный сигнал стремился к нулевому значению. Таким образом, производится стабилизация выходного постоянного напряжения при воздействии различных дестабилизирующих факторов как при изменении напряжения питания, так и при изменении нагрузки.

Выходное напряжение U_н определяется значением тока выпрямителя i_{B ср}, усредненным за период переключения при заданном сопротивлении нагрузки.

U_н=i_{B ср}·R_н.

При обеспечении изменения частоты ω выходных сигналов управляемого задающего генератора в диапазоне ω=0,6÷1,5ω_р (где $${\omega }_p=1/\sqrt{LC}$$ - резонансная частота элементов 3 и 4) может быть обеспечена характеристика регулирования выходного тока выпрямителя от нуля до номинального значения i_вн в условиях изменения напряжения электропитания в 1,5 раза. Глубина обратной связи в предлагаемом устройстве достигает 30 дБ, что позволяет уменьшить изменение выходного напряжения до 3-5% в условиях повышения напряжения электропитания на 50% и уменьшении выходного тока i_{в ср} в 10 раз. В результате в предлагаемом ТПН достигается стабилизация нагрузочных характеристик выходного напряжения в 3-4 раза лучше, чем в ТПН-прототипе при сохранении мягких траекторий переключения контуров токов и потенциалов импульсных напряжений, а также условия ограничения тока выходного тока в режимах перегрузки.

При изменении напряжения электропитания предлагаемый стабилизированный ТПН выгодно отличается от технических аналогов и ТПН-прототипа обеспечением стабильности выходного напряжения. Так, если в известных ТПН при изменении напряжения электропитания на 50% аналогичным образом изменяется выходное напряжение, то в предлагаемом устройстве изменение выходного напряжения в этих условиях не превышают 5%.

Разработаны и изготовлены опытные образцы стабилизированных ТПН с выходной мощностью 20÷100 Вт, результаты испытаний которых подтвердили указанные преимущества заявляемого технического решения, что позволяет рекомендовать его внедрение в системах вторичного 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 СССР №1603511, МКИ Н02М 7/538. Двухтактный транзисторный конвертор / В.А. Александров и др., опубл. в БИ №40 от 30.10.90 г.

3. Авторское свидетельство СССР №1628191, МКИ Н03К 5/02. Двухтактный конвертор / В.А. Александров и др., опубл. в БИ №6 от 15.02.91 г.

4. Патент РФ №2267218, МКИ Н02М 3/337. Трансформатор постоянного напряжения / В.А. Александров и др., опубл. БИ №36 27.12.2005 г.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в качестве преобразователя постоянного напряжения в постоянное для систем вторичного электропитания. Предлагаемый стабилизатор-трансформатор постоянного напряжения (ТПН) выгодно отличается от технических аналогов и ТПН-прототипа обеспечением стабильности выходного напряжения при изменении напряжения электропитания. Техническим результатом от использования изобретения является стабилизация выходного напряжения от воздействия дестабилизирующих факторов, связанных с изменением нагрузки и напряжения электропитания. В предлагаемом стабилизированном трансформаторе постоянного напряжения дополнительно введены сигнальная обмотка трансформатора, дополнительный выпрямитель, емкостной фильтр, усилитель разностного сигнала, а задающий генератор выполнен управляемым по частоте и соединен входом управления к выходу усилителя разностного сигнала, первый вход которого подключен к шине опорного напряжения, а второй вход соединен через емкостной фильтр и дополнительный выпрямитель к сигнальной обмотке трансформатора. 4 ил.

Трансформатор постоянного напряжения, содержащий ключевой усилитель, шины электропитания которого подключены к шинам первичного напряжения, задающий генератор, соединенный прямым и инверсным выходами с входами ключевого усилителя, к выходу которого подсоединены последовательно соединенные дроссель и конденсатор, причем параллельно конденсатору подключена первичная обмотка трансформатора, вторичная обмотка которого через выпрямитель и выходной фильтр соединена с шинами вторичного выходного напряжения, а также первый и второй диоды, включенные обратной проводимостью последовательно между шинами первичного напряжения, а средняя точка соединения диодов подключена к точке соединения дросселя и конденсатора, отличающийся тем, что в его состав введены сигнальная обмотка трансформатора, дополнительный выпрямитель, емкостной фильтр, усилитель разностного сигнала, а задающий генератор выполнен управляемым по частоте и соединен входом управления к выходу усилителя разностного сигнала, первый вход которого подключен к шине опорного напряжения, а второй вход соединен через емкостной фильтр и дополнительный выпрямитель к сигнальной обмотке трансформатора.