Стабилизированный преобразователь напряжения постоянного тока Российский патент 2024 года по МПК H02M3/335 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к электротехнике, а именно к источникам вторичного электропитания, и может использоваться в качестве источника напряжения постоянного тока.

Уровень техники

Известен источник напряжения постоянного тока (Григораш О.В. Стабилизированные преобразователи напряжения повышенной надежности // Электротехника. 1998. 3. с. 24-28, рис. 1, содержащий резонансный инвертор, выполненный на тиристорных ключах, стабилизирующий трансформатор с вращающимся магнитным полем, неуправляемую мостовую схему выпрямителя и выходной фильтр). Регулирование напряжения источника осуществляется стабилизирующим трансформатором с вращающимся магнитным полем.

Недостатком источника является низкая надежность работы.

Наиболее близким аналогом-прототипом к заявляемому техническому решению является стабилизированный преобразователь напряжения постоянного тока (патент RU №2210100, МПК G05F 1/46).

Стабилизированный преобразователь напряжения постоянного тока содержит: резонансный инвертор, состоящий из двух биполярных транзисторов и конденсатора инвертора; трансформатор, с двумя первичными обмотками и вторичной обмоткой; фазосдвигающий конденсатор; выпрямитель, состоящий из двух диодов; обратный диод; выходной фильтр, состоящий из дросселя с конденсатором фильтра; систему стабилизации напряжения, состоящую из делителя напряжения, формирователя импульсов, генератора опорного сигнала, распределителя импульсов, двух усилителей импульсов; два входных и два выходных зажима, причем эмиттер первого транзистора соединен с первым выводом источника питания, а коллектор соединен с первым выводом конденсатора инвертора и эмиттером второго транзистора, коллектор которого соединен со вторым выводом источника питания, первыми выводами фазосдвигающего конденсатора и первой первичной обмотки трансформатора; вторые выводы первичных обмоток трансформатора соединены со вторым выводом конденсатора инвертора; первый вывод второй первичной обмотки трансформатора соединен со вторым выводом фазосдвигающего конденсатора; вторичная обмотка трансформатора с вращающимся магнитным полем, размещенная на сердечнике трансформатора и выполненная со средней точкой, первым и вторым выводами подключена к анодам первого и второго диодов выпрямителя; катоды диодов выпрямителя соединены с катодом обратного диода и входом дросселя фильтра, а выход последнего соединен с первыми выводами конденсатора фильтра и стабилизированного преобразователя напряжения постоянного тока; средняя точка вторичной обмотки трансформатора соединена с анодом обратного диода вторыми выводами конденсатора фильтра и стабилизированного преобразователя напряжения постоянного тока; первый и второй выводы стабилизированного преобразователя напряжения постоянного тока соединены с входами системы стабилизации напряжения, служащими первым и вторым входами делителя напряжения, выход которого соединен с первым входом формирователя импульсов, второй вход которого соединен с первым выходом генератора опорного сигнала; первый и второй входы распределителя импульсов соединены с выходом формирователя импульсов и вторым выходом генератора опорного сигнала; первый и второй выходы распределителя импульсов соединены с первым и вторым, соответственно, усилителями импульсов, по два выхода которых соединены с эмиттером и базой первого и второго транзисторов резонансного инвертора соответственно.

Недостатком данного устройства является низкая надежность, обусловленная:

- реализацией резонансного инвертора на базе биполярных транзисторов, приборов, управляемых током, собственное энергопотребление которых, а значит, и тепловой режим напрямую связан с величиной коммутируемого тока;

- сложностью системы стабилизации напряжения, в силу использования усилителей импульсов.

Раскрытие изобретения

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к повышению надежности.

Технический результат достигается тем, что в стабилизированный преобразователь напряжения постоянного тока, содержащий: резонансный инвертор, в состав которого входит конденсатор инвертора; трансформатор с двумя первичными обмотками и вторичной обмоткой; фазосдвигающий конденсатор; выпрямитель, состоящий из двух диодов; обратный диод; выходной фильтр, состоящий из дросселя с конденсатором фильтра; систему стабилизации напряжения, состоящую из делителя напряжения, формирователя импульсов, генератора опорного сигнала, распределителя импульсов; два входных и два выходных зажима, причем второй вывод источника питания соединен с первыми выводами фазосдвигающего конденсатора и первой первичной обмотки трансформатора; вторые выводы первичных обмоток трансформатора соединены со вторым выводом конденсатора инвертора; первый вывод второй первичной обмотки трансформатора соединен со вторым выводом фазосдвигающего конденсатора; вторичная обмотка трансформатора с вращающимся магнитным полем, размещенная на сердечнике трансформатора и выполненная со средней точкой, первым и вторым выводами подключена к анодам первого и второго диодов выпрямителя; катоды диодов выпрямителя соединены с катодом обратного диода и входом дросселя выходного фильтра, а выход последнего соединен с первыми выводами конденсатора фильтра и стабилизированного преобразователя напряжения постоянного тока; средняя точка вторичной обмотки трансформатора соединена с анодом обратного диода вторыми выводами конденсатора фильтра и стабилизированного преобразователя напряжения постоянного тока; первый и второй выводы стабилизированного преобразователя напряжения постоянного тока соединены с входами системы стабилизации напряжения, служащими первым и вторым входами делителя напряжения, выход которого соединен с первым входом формирователя импульсов, второй вход которого соединен с первым выходом генератора опорного сигнала; первый и второй входы распределителя импульсов соединены с выходом формирователя импульсов и вторым выходом генератора опорного сигнала, введены, в состав резонансного инвертора, МДП транзистор с индуцированным каналом n-типа и МДП транзистор с индуцированным каналом p-типа, причем сток МДП транзистора с индуцированным каналом n-типа соединен с первым выводом (положительной полярности) источника питания, а исток соединен с первым выводом конденсатора инвертора и истоком МДП транзистора с индуцированным каналом p-типа, сток которого соединен со вторым выводом (отрицательной полярности) источника питания, первыми выводами фазосдвигающего конденсатора и первой первичной обмотки трансформатора; первый, второй и третий выводы распределителя импульсов, входящего в состав системы стабилизации напряжения, соединены, соответственно, с затвором МДП транзистора с индуцированным каналом n-типа, истоками обоих транзисторов, затвором МДП транзистора с индуцированным каналом p-типа.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлена функциональная схема стабилизированного преобразователя напряжения постоянного тока.

На фиг. 2 представлены диаграммы напряжений, поясняющие работу системы стабилизации напряжения.

Осуществление изобретения

Стабилизированный преобразователь напряжения постоянного тока (фиг. 1) содержит: резонансный инвертор 1, состоящий из МДП транзистора 2 с индуцированным каналом n-типа, МДП транзистора 3 с индуцированным каналом p-типа, и конденсатора инвертора 4; трансформатор 5, с двумя первичными обмотками 6, 7 и вторичной обмоткой 8, 9; фазосдвигающий конденсатор 10; выпрямитель 11, состоящий из двух диодов 12 и 13; обратный диод 14; выходной фильтр 15, состоящий из дросселя 16 с конденсатором фильтра 17; систему стабилизации напряжения 18, состоящую из делителя напряжения 19, формирователя импульсов 20, генератора опорного сигнала 21, распределителя импульсов 22; входные зажимы 23, 24, служащие входами и выходные зажимы 23, 24, служащие выходами стабилизированного преобразователя напряжения постоянного тока, причем сток МДП транзистора 2 с индуцированным каналом n-типа соединен с выводом 24 (положительной полярности) источника питания, а исток соединен с первым выводом конденсатора инвертора 4 и истоком МДП транзистора 3 с индуцированным каналом p-типа, сток которого соединен с выводом 23 (отрицательной полярности) источника питания, первыми выводами фазосдвигающего конденсатора 10 и первичной обмотки 6 трансформатора 5; вторые выводы первичных обмоток 6 и 7 трансформатора 5 соединены со вторым выводом конденсатора инвертора 4; первый вывод первичной обмотки 7 трансформатора 5 соединен со вторым выводом фазосдвигающего конденсатора 10; вторичная обмотка 8, 9 трансформатора 5 с вращающимся магнитным полем, размещенная на сердечнике трансформатора 5 и выполненная со средней точкой, первым и вторым выводами подключена к анодам диодов 12, 13 выпрямителя 11; катоды диодов 12, 13 выпрямителя 11 соединены с катодом обратного диода 14 и входом дросселя 16 выходного фильтра 15, а выход последнего соединен с первым выводом конденсатора фильтра 17 и выводом 25 стабилизированного преобразователя напряжения постоянного тока; средняя точка вторичной обмотки 8, 9 трансформатора 5 соединена с анодом обратного диода 14, вторым выводом конденсатора фильтра 17 и выводом 26 стабилизированного преобразователя напряжения постоянного тока; выводы 25, 26 стабилизированного преобразователя напряжения постоянного тока соединены с входами системы стабилизации напряжения 18, служащими первым и вторым входами делителя напряжения 19, выход которого соединен с первым входом формирователя импульсов 20, второй вход которого соединен с первым выходом генератора опорного сигнала 21; первый и второй входы распределителя импульсов соединены с выходом формирователя импульсов 20 и вторым выходом генератора опорного сигнала 21; первый (служащий для передачи импульсов положительной полярности), второй (нейтральный) и третий (служащий для передачи импульсов отрицательной полярности) выводы распределителя импульсов 22 соединены, соответственно, с затвором МДП транзистора с индуцированным каналом n-типа, истоками обоих транзисторов, затвором МДП транзистора с индуцированным каналом p-типа.

Стабилизированный преобразователь напряжения постоянного тока работает следующим образом.

Входное напряжение U_вх постоянного тока поступает на выводы 23, 24, являющиеся входом резонансного инвертора 1 (фиг. 1). Резонансный контур в инверторе образуется конденсатором инвертора 4 и дросселем 16 выходного фильтра 15.

Допустим, в исходном состоянии конденсатор инвертора 4 разряжен. Для формирования положительной полуволны выходного напряжения U_аб резонансного инвертора 1 (фиг. 2, б) система стабилизации напряжения 18 подает управляющий импульс на затвор МДП транзистора 2 с индуцированным каналом n-типа, он открывается, и конденсатор инвертора 4 начинает заряжаться от источника входного напряжения U_вх таким образом, что его выводы будут иметь потенциалы, указанные знаками на фиг. 1. Ток заряда конденсатора инвертора 4 будет протекать через первичные обмотки 6, 7 трансформатора 5 и фазосдвигающий конденсатор 10. Для формирования отрицательной полуволны выходного напряжения резонансного инвертора 1 система стабилизации напряжения 18 закрывает МДП транзистор 2 с индуцированным каналом n-типа и открывает МДП транзистор 3 с индуцированным каналом p-типа. В этом случае конденсатор инвертора 4 будет являться источником питания для нагрузки, и его ток разряда будет протекать по первичным обмоткам 6, 7 трансформатора 5 и фазосдвигающего конденсатора 10 в обратном направлении.

Таким образом, по первичным обмоткам 6, 7 трансформатора 5 протекает переменный ток, вызывающий действие вращающегося магнитного поля и соответственно ЭДС во вторичных обмотках 8, 9, которые размещены на сердечнике трансформатора 5. Выпрямитель 11 преобразует напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока, а выходной фильтр 15 сглаживает пульсации, обеспечивая требуемое качество выходного напряжения U_вых на выводах 25, 26.

Система стабилизации напряжения 18 работает следующим образом.

С выхода (25, 26) сигнал, пропорциональный величине выходного напряжения U_вых, являющийся ведущим для системы стабилизации напряжения 18, через делитель напряжения 19, поступает на первый вход формирователя импульсов 20 (фиг. 2, a U_дн). На второй вход формирователя импульсов 20 поступает сигнал U_гос от генератора опорного сигнала 21 (фиг. 2, a). Когда сигнал U_гос > U_дн, формирователь импульсов 20 формирует импульсы управления, которые через распределитель импульсов 22 поступают на затворы МДП транзисторов 2 или 3.

Работа распределителя импульсов 22 синхронизирована с опорным напряжением генератора 21 для обеспечения формирования положительной и отрицательной полуволн выходного напряжения U_аб резонансного инвертора 1. Угол управления транзисторами α₁ (фиг. 2, б) соответствует номинальному режиму работы стабилизированного преобразователя напряжения постоянного тока.

Если, к примеру, выходное напряжение U_вых стабилизированного преобразователя напряжения постоянного тока уменьшится, то уменьшится напряжение на выходе делителя напряжения 19 и уменьшится угол управления транзисторами до величины α₂, а значит уменьшится скважность выходного напряжения U_аб резонансного инвертора 1 (фиг. 2, в, г) и соответственно увеличится выходное напряжение U_вых. на зажимах 25, 26 стабилизированного преобразователя напряжения постоянного тока.

Выходной фильтр 15, кроме функций создания колебательного контура и обеспечения требуемого качества выходного напряжения, выполняет функции накопителя электрической энергии и в моменты времени, когда существует пауза между работой МДП транзисторов 2, 3, фильтр накопленную электроэнергию отдает в нагрузку. Контур для протекания тока от выходного фильтра 15 в нагрузку, когда закрыты МДП транзисторы 2, 3, создается обратным диодом 14.

В случае прототипа имеет место относительно низкий КПД. Это обусловлено реализацией схемы резонансного инвертора 1 на базе биполярных транзисторов. Так как биполярные транзисторы - это приборы, управляемые током, собственное энергопотребление которых, а значит, и тепловой режим, напрямую связан с величиной коммутируемого тока. А попытка снижения транзисторами собственного энергопотребления (повышения КПД устройства) за счет использования транзисторов с меньшим током базы (а значит, и меньшей допустимой мощностью рассеивания - неизбежно повысит требования к увеличению теплоотвода), повлечет снижение надежности устройства.

В то же время МДП транзисторы с индуцированным каналом характеризуются рядом преимуществ относительно биполярных транзисторов (Окснер Э.С. Мощные полевые транзисторы и их применение. - М.: Радио и связь, 1985, с. 19):

- управление напряжением (высокое сопротивление со стороны затвора, ток затвора практически равен нулю);

- высокая скорость переключения;

- почти неограниченная нагрузочная способность по выходу (если не учитывать скорость переключения);

- очень малая вероятность теплового саморазогрева;

- очень малая вероятность вторичного пробоя;

- допустимость резкого изменения тока стока.

А значит, предлагаемое устройство, в схеме резонансного инвертора 1 которого использованы МДП транзисторы 2 и 3, при той же величине коммутируемой мощности, что и в случае прототипа, будет характеризоваться более высоким значением как КПД, так и, прежде всего, надежностью.

Немаловажный вклад в повышение как надежности, так и КПД предлагаемого устройства вносит факт упрощения схемы системы стабилизации напряжения 18.

Система стабилизации напряжения 18 предлагаемого устройства, в отличие от прототипа, не содержит двух усилителей импульсов, так как токи управления МДП транзисторов 2 и 3 практически равны нулю.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к источникам вторичного электропитания, и может использоваться в качестве источника напряжения постоянного тока. Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к повышению надежности. Стабилизированный преобразователь напряжения постоянного тока содержит: резонансный инвертор, состоящий из МДП транзистора с индуцированным каналом n-типа, МДП транзистор с индуцированным каналом p-типа и конденсатором инвертора; трансформатор с двумя первичными обмотками и вторичной обмоткой; фазосдвигающий конденсатор; выпрямитель, состоящий из двух диодов; обратный диод; выходной фильтр, состоящий из дросселя с конденсатором фильтра; систему стабилизации напряжения, состоящую из делителя напряжения, формирователя импульсов, генератора опорного сигнала, распределителя импульсов; два входных и два выходных зажима. 2 ил.

Стабилизированный преобразователь напряжения постоянного тока, содержащий: резонансный инвертор, в состав которого входит конденсатор инвертора; трансформатор с двумя первичными обмотками и вторичной обмоткой; фазосдвигающий конденсатор; выпрямитель, состоящий из двух диодов; обратный диод; выходной фильтр, состоящий из дросселя с конденсатором фильтра; систему стабилизации напряжения, состоящую из делителя напряжения, формирователя импульсов, генератора опорного сигнала, распределителя импульсов; два входных и два выходных зажима, причем второй вывод источника питания соединен с первыми выводами фазосдвигающего конденсатора и первой первичной обмотки трансформатора; вторые выводы первичных обмоток трансформатора соединены со вторым выводом конденсатора инвертора; первый вывод второй первичной обмотки трансформатора соединен со вторым выводом фазосдвигающего конденсатора; вторичная обмотка трансформатора с вращающимся магнитным полем, размещенная на сердечнике трансформатора и выполненная со средней точкой, первым и вторым выводами подключена к анодам первого и второго диодов выпрямителя; катоды диодов выпрямителя соединены с катодом обратного диода и входом дросселя выходного фильтра, а выход последнего соединен с первыми выводами конденсатора фильтра и стабилизированного преобразователя напряжения постоянного тока; средняя точка вторичной обмотки трансформатора соединена с анодом обратного диода вторыми выводами конденсатора фильтра и стабилизированного преобразователя напряжения постоянного тока; первый и второй выводы стабилизированного преобразователя напряжения постоянного тока соединены с входами системы стабилизации напряжения, служащими первым и вторым входами делителя напряжения, выход которого соединен с первым входом формирователя импульсов, второй вход которого соединен с первым выходом генератора опорного сигнала; первый и второй входы распределителя импульсов соединены с выходом формирователя импульсов и вторым выходом генератора опорного сигнала, отличающийся тем, что в устройство введены, в состав резонансного инвертора, МДП транзистор с индуцированным каналом n-типа и МДП транзистор с индуцированным каналом p-типа, причем сток МДП транзистора с индуцированным каналом n-типа соединен с первым выводом, являющимся выводом положительной полярности, источника питания, а исток соединен с первым выводом конденсатора инвертора и истоком МДП транзистора с индуцированным каналом p-типа, сток которого соединен со вторым выводом, являющимся выводом отрицательной полярности, источника питания, первыми выводами фазосдвигающего конденсатора и первой первичной обмотки трансформатора; первый, второй и третий выводы распределителя импульсов, входящего в состав системы стабилизации напряжения, соединены, соответственно, с затвором МДП транзистора с индуцированным каналом n-типа, истоками обоих транзисторов, затвором МДП транзистора с индуцированным каналом p-типа.