Преобразователь постоянного напряжения Советский патент 1983 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при разработке мош,йь1х вторичных источников электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Известен преобразователь постоянного напряжения, содержащий двухтактный силовой усилитель мощности с выходным трансформатором со средней точкой первичной обмотки и выходным выпрямителем, управляющие входы транзисторов которого подключены к крайним выводам вторичной обмотки трансформатора узла управления . Для устранения сквозных токов в этом преобразователе использован принцип срыва блокинг-процесса , одного из плеч трансформатора управления силовыми ключами 1. Недостатками данного преобразователя являются значительная избыточность, так как он требует отдельных генератора и щестиблочного блокинг-трансформатора, а также отсутствие эа пирающих напряжений на базах силовых транзисторов для форсированного переключения последних из открытого состояния в закрытое, отсутствие защиты от перегрузок. Известны преобразователи постоянного напряжения, содержащие двухтактный силовой усилитель мощности и узел управления, состоящий из двух логических элементов И, первые входы которых подключены к выходам счетного триггера, входом подключенным к генератору тактовых импульсов, а вторые входы объединены и подключень к выходу исполнительного элемента узла защиты, входом подключенным к датчику тока нагрузки 2 и 3. Недостатками данных преобразователей являются наличие сквозйых токов в силовых транзисторах усилителя мощности и возможность появления асимметрии импульсов управления силовых транзисторов, что снижает надежность и КПД устройства. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является преобразователь постоянного напряжения, содержащий двухтактный силовой усилитель мощности с выходным трансформатором со средней точкой первичной обмотки и выходным выпрямителем, управляющие входы транзисторов которого подключены к выходу узла управления, состоящего из триггера, парафазными выходами подключенного к первым входам двух логических элементов И, выходы которых подключены к управляющим входам предварительного двухтактного усилителя мощности, причем вторые входы логических элементов И объединены и подключены к выходу исполнительного элемента узла защиты, вход которого подключен к датчику тока нагрузки силового усилителя мощности, а также генератор тактовых импульсов подключенный к счетному входу триггера, два операционных усилителя и формирователи 4. Недостатком известного преобразователя является сложность схемы узла управления силового усилителя . мощности, так как он включает в себя генератор тактовых импуль.сов, два операционных усилителя, сложные схемы формирователей. Кроме того, в данном преобразователе в момент срабатывания защиты на обмотках трансформатора развиваются больщие переходные процессы, в результате чего транзисторы преобразователя оказываются под значительными перенапряжениями, уровень которых может в несколько раз превыщать величину их коллекторного питания. Защита от сквозных токов в данном преобразователе производится путем задержки включения ранее закрытого транзистора на фиксированное время, равное времени рассасывания неосновных носителей в базе транзистора, т.е. это время должно быть равно максимально возможному времени рассасывания неосновных носителей в базе транзистора. Отсутствие запирающего напряжения на базе выключаемого силового транзистора приводит к увеличению этого времени. Первичные обмотки управляющего трансформатора в моменты пауз остаются в режиме холостого хода и на них возникает переходный процесс, вследствие чего фронты импульсов управления силовых транзисторов будут размыты затухающими гармоническими колебаниями, что приводит к дополнительным потерям мощности на их коллекторных переходах и с жению зоны регулирования. Цель изобретения - повыщение надежности, упрощение узла управления при одновременном исключении асимметрии импульсов управления силового усилителя мощности, повыщение КПД и расщирёние функциональных возможностей за счет расширения зоны, регулирования путем автоматического изменения времени паузы на включение. Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь напряжения, содержащий двухтактный силовой усилитель мощности с выходным трансформатором со средней точкой первичной обмотки и выходным выпрямителем, управляющие входы транзисторов которого подключены к крайним выводам выходной обмотки трансформатора узла управления, состоящего из триггера, парафазными выходами подключенного к первым входам двух логических элементов И, выходы которых соединены с управляющими входами ключевых элементов двухтактного предварительного усилителя узла управления с трансформатором с отводом от средней точки первичной обмотки, причем вторые входы логических элементов И объединейы и подключены к выходу исполнительного элемента узла защиты, вход которого подключен к датчику тока нагрузки силового усилителя мощности, введены дополнительно третий и четвертый логические элементы И, логический элемент И-НЕ, инвертор и управляемый ключ, подключенный через дополнительный выпрямитель к дополнительной обмотке трансформатора узла управления, а ключевые элементы узла управления своими силовыми переходами подключены к первичной обмотке через датчики тока намагничивания, выход каждого из которых подключен к первому входу соответственно третьего и четвертого логических элементов И и одному из входов элемента И-НЕ, при этом выход последнего подключен к объединенным вторым входам третьего и четвертого логических элементов И, выходы которых подключены соответственно к установочным R и S- входам триггера узла управления, счетным С-входом соединенным с управляющим входом управляемого ключа и выходом инвертора, вход которого подключен к выходу исполнительного элемента узла защиты. Кроме того, в устройство введены источник запирающего напряжения, два элемента задержки и два зашунтированных обратными диодами отпирающих ключевых элемента, которые включены между управляющими входами транзисторов силового усилителя мощности и крайними выводами выходной обмотки трансформатора узла управления, причем последние через элементы задержки соединены с общим выводом преобразователя, который через источник смещения подключен к отводу от средней точки этой обмотки, при этом выходы узла задержки соединены с управляющими входами отпирающих ключевых элементов. , На чертеже показана принципиальная электрическая схема устройства. Стабилизатор напряжений постоянного тока содержит стабилизатор 1 сетевого выпрямленного напряжения, выполненный, например, на ключевом регуляторе 2, LCDфильтре 3, компараторе 4 и узле 5 управления. Выход стабилизатора соединен с входом двухтактного усилителя 6 мощности, к выходным обмоткам трансформатора которого подключены высокочастотные выпрямители 7-9 с фильтрами. Выходы этих выпрямителей являются выходами стабилизированных напряжений. Первичная обмотка трансформатора усилителя мощности своей средней точкой соединена с выходом стабилизатора, а своими крайними выводами - с коллекторами мощных транзисторов 10 и 11, к общей эмиттерйой цепи которых подключен датчик 12 тока. Базы транзисторов 10 и 11 управляются напряжениями выходной обмотки 13 трансформатора 14, узла 15 управления. средняя точка первичной обмотки 16 трансформатора узла управления подключена к источнику питания Ej,, а ее крайние выводы через ключевые элементы 17 и 18 и датчики 19 и 20 тока намагничивания соединены с общим выводом устройства. Управляющие входы ключей соединены с выходами логических элементов 21 и 22, первые входы которых объединены и подключены к выходу исполнительного элемента 23 узла 24защиты по току перегрузки. Входом узел защиты подключен к датчику тока силового усилятеля мощности. Вторые входы логических элементов И подключены соответственно к выходам Q и Q триггера 25. Выход датчика 19 тока намагничивания соединен с первым входом логического элемента И-НЕ 26 и с первым входом третьего логического элемента И 27, вход которого соединен с установочным входом R счетного триггера 25. Выход датчика 20 тока намагничивания соединен с вторым входом элемента И-26 НЕ и с первым входом четвертого элемента И 28, выход которого соединен с установочным входом S счетного триггера 25. Вторые входы элементов И 27 и 28 соединены с выходом элемента И-НЕ 26. Выход узла защиты соединен через инвертор 29 со счетным входом триггера 25 и с управляющим входом дополнительного ключа 30, который своими выходными полюсами подключен между средней точкой дополнительной обмотки 31 трансформатора узла управления и выходом подключенного к ней двухтактного выпрямителя 32 и 33. Базы транзисторов силового усилителя мощности соединены с соответствующими выводами выходной обмотки трансформатора узла управления через параллельную цепочку, состоящую из обратного диода 34, пропускающего на ее вход запирающее напряжение, и отпирающего ключевого элемента 36, выполненного на тиристоре и пропускающего фазу опирающего базового напряжения, а также через параллельную цепочку, состоящую из диода 35 обратного и отпирающего ключевого элемента 37. Управляющие входы отпирающих ключевых элементов соединены с выходами элементов 38-41 задержки соответственно, которые вь1полнены на последовательных RC-цепочках, включенных между крайними выводами выходной обмотки трансформатора узла управления и общим выводом, который через источник запирающего напряжения, выполненный на параллельной цепи, состоящей из стабилитрона 42 и конденсатора 43, подключен к отводу от средней точки выходной обмотки трансформатора узла управления. Узел защиты помимо исполнительного элемента 23 содержит последовательно с ним включенный стабилитрон 44. Ключевым пороговым элементом узла защиты является тиристор 45, в управляющей цепи которого включен резистор, который через другой балластный резистор связан с датчиком 12 тока усилителя 6 мощности. Между катодом тиристора 45 и общим полюсом устройства включена кнопка 46 с нормально замкнутым контактами. К анодной цепи тиристора 45 подключены катоды стабилитрона 14 и индикаторного светодиода, при этом последний своим анодом через резистор соединен с положительным полюсом источника питания. Устройство работает следующим образом. При включении стабилизатора в сеть на выходе импульсного стабилизатора 1 выпрямленного напряжения сети устанавливается строго заданный уровень напряжения. Одновременно с этим устанавливается и напряжение дополнительного источника питания + Е, при этом на выходе схемы защиты, т.е. на элементе 23, устанавливается уровень логической единицы, т.е. тиристор 45 находится в закрытом состоянии. При этом и счетный триггер 25 также находится в каком-то определенном состоянии, например в таком, когда на его прямом выходе Q установлен единичный уровень, на Q - нулевой. В этом случае на выходе элемента 21 существует также единичный уровень, ключ 17 открыт, а на выходе элемента 22 - нулевой уровень, и потому ключ 18 закрыт. Ток ключа 17, протекая через датчик 19 тока и первую половину обмотки 16, Намагничивает сердечник трансформатора 14, предположим, в положительном направлении. При этом, пока сердечник трансформатора 14 не намагничен, на датчике 19 тока уровень потенциала соответствует логическому нулю. На входах R и S триггера 25 для описываемого случая установлены нулевые уровни, и потому состояние его не меняется. Однако, как только сердечник трансформатора 14 входит в зону намагниченности, ток через ключ 17 резко возрастает, и на датчике 19 тока возникает единичный логический уровень, который совместно с единичным выходным уровнем элемента И-НЕ 26, вызванным нулевым входным уровнем, поступающим с датчика 20 тока, устанавливает по входу R через элемент И 27, триггер 25 в противоположное состояние с единичным уровнем На его инверсном выходе Q. В результате этЬго ключ 17 выключается, а ключ 18 включается. Сердечник трансформатора 14 начинает перемагничиваться в обратном направлении за счет меняющейся по знаку МДС. Однако ключ 17 за счет накопленного заряда своего базового перехода выключается медленнее, чем включается ключ 18. Поэтому в течении некоторого интервала времени оба ключа открыты, МДС сердечНика трансформатора 14 резко сокращается по абсолютной величине, .и ток только что открытого ключа 18 оказывается достаточным для того, чтобы на своем датчике 20 тока вызвать единичный логический уровень. Однако переключение триггера 25, как было описано, при появлении единичного логического уровня на датчике 19 тока не происходит, так как на обоих входах логического элемента И-НЕ 26 в данном случае находятся единичные уровни, которые обеспечивают на его выходе нулевой уровень, блокирующий реализацию функции элементом И 27. Когда ключ 17 закрывается до такой степени, при которой его ток соответствует нулевому логическому уровню на датчике 19 тока, МСД сердечника трансформатора 14 вырастает до своего номинального значения, и ток ключа 18 снижается до величины, соответствующей нулевому логическому уровню на датчике 20 тока. Поэтому триггер 25 сохраняет состояние единичного уровня на инверсном выходе Q и тем самым не изменяет включенное состояние ключа 18. Вхождение сердечника трансформатора 14 в зону отрицательной намагниченности вызывает повторное появление единичного уровня на датчике 20 тока, однако, в данном случае, уже отсутствует единичный уровень на датчике 19 тока, так как ключ 17 находится в закрытом состоянии. Единичные уровни на входах элемента И 28 обеспечивают установку триггера 25 по входу S, вследствие чего на его прямом выходе G устанавливается вновь единичный уровень. Ключ 18 начинает выключаться, а ключ 17 вновь включается. Интервал времени перекрытия одновременно открытых состоящий обоих ключей, как было описано, вновь приводит к появлению на обоих датчиках тока единичных уровней, однако триггер 25 не изменяет своего состояния в данной ситуации, так как элемент И-НЕ 26 вновь заблокирует элементы 27 и 28. Описанные процессы, чередуясь друг с другом, обеспечивают устойчивый режим генерации. Ключ 30 при этом находится в закрытом состоянии, laK как на выходе инвертора 29 находится нулевой уровень. ЭДС, наводимые в обмотке 31, при этом находятся в режиме холостого хода, так как диоды 32 и 33 включены навстречу друг другу. Знакопеременные ЭДС, наводимые на выходной обмотке 13,. по форме соответствующие меандру, попеременно включают силовые ключи 10 и 11 усилителя 6 мощности. Так как ключи 10 и 11 пропускают через себя более значительные токи, чем ключи 17 и 18 узла 15 управления, описанный эффект перекрытия у них выражен еще сильнее. Однако, в отличие от ключей 17 и 18 степень перекрытия ключей 10 и 11 не постоянна, а переменна, и зависит от величины суммарной нагрузки на выходах высокочастотных выпрямителей 7-9. Для того, чтобы на обмотках трансформатора усилителя 6 мощности не возникало паразитных всплесков, приводящих к большим перенапряжениям на ключах 10 и 11 н-на диодах выпрямителей 7-9, токи в первичных его обмотках в моменты перекоммутации ключей 10 и 11 не должны иметь резких изменений. С другой стороны, необходимо исключить перекрытие этих ключей, так как при таких перекрытиях вся энергия, запасенная в магнитной системе трансформатора преобразователя, выделяется на их открытых переходах эмиттер-коллектор, что приводит к протеканию по ним недопустиМО больщих токов короткого замыкания. Для разрещения условий с целью обеспечения надежной работы силовых ключей 10 и 11, в предлагаемом устройстве .моменты из включения задерживаются относительно переднего фронта включающего импульса с помощью тиристоров 36 и 37 и RC-цепей 38-41. Сигнал выключения ключей 10 и 11 подается без задержки относительно его переднего фронта, при этом режим выключения форсирован за счет накопленного потенциала на конденсаторе 43, который, суммируясь с соответствующей полярностью ЭДС обмоток 13, создает отрицательный ток запираемого ключа через диоды 34 или 35. При оптимальном соотнощении задержки времени включения ключа и времени запирания ключа на обмотках трансформатора усилителя 6 мощности не наблюдается всплесков перенапряжений, а его ключи 10 и 11 работают без перекрытий. Однако время закрывания открытого ключа зависит от протекания через него тока, т.е.в данном случае от суммарного тока нагрузки выпрямителей 7-9. При этом, чем больще этот ток, тем меньще время выключения. Для того, чтобы соотношение задержки времени включения ключа и времени запирания ключа автоматически перестраивалось в зависимости от суммарного тока нагрузки выпрямителей 7-9 и при этом оставалось оптимальным в широком диапазоне изменения токов Нагрузки преобразователя, в нем эмиттеры транзисторов 10 и 11 подключены к общей шине устройства через резистор 12 отрицательной обратной связи, который одновременно выполняет роль датчика тока перегрузки. Падение напряжения на резисторе 12, вызванное протеканием через него тока открытого транзистора 10 или 11, прикладывается полюсом через переход эмиттербаза закрытого транзистора 11 или 10 к катоду подготавливаемого одного из тиристоров 36 или 37. При этом уравнение напряжения управляющего электрода можно записать в виде UyW Uc(t)-U2(0. где Uy(t)-текущее значение напряжения на переходе управляющий электродкатод подготавливаемого к включению тиристора; Ltttj- текущее значение напряжения на емкости управляющего электрода данного тиристора по отношению к общей щине устройства; Uii(t)- текущее значение падения напряжения на резисторе 12 отрицательной обратной связи. Пока существует определенное значение величины падения на резисторе 12 и, следовательно, пока открыт один из ключей 6 мощности, время задержки отпи , раемого тиристора увеличивается, а потому и задерживается время отпираемого ключа. С увеличением тока нагрузки время запирания ключа уменьщается, а поэтому раньше начинает исчезать падение напряжения Ui2 на резисторе 12, следовательно, раньше включается отпираемый тиристор и соответствующий ключ усилителя 6 .мощности. Резистор 12 отрицательной обратной связи кроме описанных функций, выполняет еще одну положительную роль. Он исключает возможность несимметричного намагничивания сердечника трансформатора усилителя 6 мощности по причине какой-либо несимметрии первичных обмоток или свойств транзисторов 10 и 11. Кроме того, в данном устройстве на резисторе отрицательной обратной связи формируется сигнал на срабатывание узла 24 защиты по току перегрузки. Если суммарный ток нагрузки выпрямителей 7-9 возрастает больше наперед заданного значения, то и на резисторе 12 возникает такой уровень падения напряжения, при которо м тиристор 45 узла 24 защиты срабатывает, в результате Чего на его аноде напряжение понижается до уровня пробитого состояния, который отрезается стабилитроном 44 и, потому падение напряжения на исполнительном элементе 23 равно нулю. С момента установления нулевого уровня на элементе 23 ключи 17 и 18 через элементы 21 и 22 выключаются, а ключ 30 через инвертор 29 включается, и через обмотки 31 и диоды 32 и 33 защунтирует магнитную систему трансформатора 14. Поэтому с моментом выключения ключей 17 и 18 ЭДС на всех обмотках трансформатора резко и без каких-либо переходных процессов спадают от своих номинальных значений до нулевого уровня. Так как заряд, накопленный на конденсаторе 43, не имеет иных путей для тока разряда, как только через короткозамкнутые полуобмотки 13, диоды 34 и 35, переходы база-эммитер ключей 10 и 11 и резистор 12, причем эти токи являются для них запирающими, то, с момента срабатывания узла 24 защиты по току перегрузки, оба ключа 10 и 11 преобразователя находятся под действием запирающих токов. Так как через базу ранее запертого транзистора преобразователя ток разряда емкости 43 не потечет, то, естественно, весь ее заряд передается в базу открытого к данному моменту времени ключа, который

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий двухтактный силовой усилитель мощности с выходным трансформатором с отводом от средней точки первичной обмотки и выходным выпрямителем, управляющие входы транзисторов которого подключены к крайним выводам выходной обмотки трансформатора узла управления, состоящего из триггера, парафазными выходами подключенного к первым входам дву-х логических элементов И, выходы которых соединены с управляющими входами ключевых алементов двухтактного трансформаторного усилителя с отводом от средней точки первичной обмотки, причем вторые входы логических элементов И объединены и подключены к выходу исполнительного элемента узла защиты, вход которого подключен к датчику тока силового усилителя мощности, отличающийся тем, что, с целью упрощения узла управления при одновременном исключении асимметрии импульсов управления силового усилителя мощности и повыщения надежности, в него введены третий и четвертый логические элементы И, л.огический элемент И-НЕ, инвертор, управляемый ключ, подключенный через дополнительный вьшрямитель к дополнительной обмотке трансформатора узла управления, а ключевые элементы узла управления своими силовыми переходами подключены к первичной обмотке через датчики тока намагничивания, вуходы которых подключены к первому входу соответственно третьего и четвертого логических элементов И и одному из входов элемента И-НЕ, при этом выход последнего подключен к объединенным вторым входам третьего и четвертого логических элементов И, выходы которых подключены соответственно к установочным R и S-входам триггера, счетным С-вхоS дом соединенным с управляющим входом (Я управляемого ключа и выходом инвертора, вход которого подключен к выходу дополнительного элемента узла защиты. 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что, с целью расщирения функциональных возможностей и повыщения КПД, в него введены источник запирающего напряжения, два элемента задержки и два зашунтированных обратными диодами отСП пирающих ключевых элемента, которые вклюа чены между управляющими входами трансо со зисторов силового усилителя мощности и крайними выводами выходной обмотки трансформатора узла управления, причем последние через элементы задержки соединены с общим выводом преобразователя, который через источник смещения подключен к отводу от средней точки этой обмотки, при этом выходы узла задержки соединены с управляющими входами отпирающих ключевых элементов.