Однотактный преобразователь постоянного напряжения Советский патент 1984 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках электропитанг-ш различной аппаратуры. Известны однотактные преобразова тели постоянного напряжения 5 содерж щие силовые транзисторные ключи, трансформатор с дополнительной обмоткой возврата, выпрямитель и выход ной диодно-индуктивно-емкостной . фильтр 11. Недостатками этих преобразователе являются пониженные КПД, надежность и удельная мощность, обусловленные большими потерями в силовых транзисторных: ключах, вьщеляемых при переключении и неблагоприятной формой траектории переключения силовых транзисторных ключей. Наиболее близким к предлагаемому является однотактный преобразовател постоянного напряженияJ содержащий связанньй с формирователем управляющего сигнала силовой транзистор, трансформатор с первичной, вторичной обмотками и обмоткой возврата, диод вспомогательную RCD -цепочку, изменяющую траекторию рабочей точки силового транзистора, выпрямитель и выходной диодно-индуктивно-емкостной фильтрJ причем первичная обмОтка и обмотка возврата трансформатора подключены к первому входному выводу преобразователя разноименными концаMHj другой конец первичной обмотки трансформатора соединен с вторым входным выводом преобразователя через силовой транзистор другой конец обмотки возврата соединен с вторым входньтм выводом преобразоёатепя через диод, а вторичная обмотка трансформатора через выпрямитель и выходной диодно-индуктивно-емкостной фильтр Подключена к выходным выводам преобразователя 2. Данный преобразователь характеризуется недостаточно высоким КПД и малой надежностью, что обусловлено большими динамическими потерями в силовом транзисторе преоврГазоваТеля, вьщеляемыми в моменты его включения, а также импульсными перенапряжениями на силовом транзисторе при его выключениях, Больяше динамические потери при включении силового транзистора вызваны больпшми по амплитуде импульсами тока коллектора при его выключениях, обусловленными разрядом конденсатора вспомогательной -цепочки, а импульсные перенапряжения на силовом транзисторе при его выключениях обусловлены ЭДС самоиндукции индуктивности рассеяния первичной обмотки трансформатора преобразователя. Целью изобретения является повышение КПД и надежности преобразователя путем уменьшения динамических потерь в силовом транзисторе, Цель достига-ется тем, что в однотактном преобразователе постоянного напряжения, содержащем связанный с формирователем управляющего сигнала силовой транзистор, трансформатор с первичной, вторичной обмотками и обмоткой возврата-, диод, вспомогательную R,Ct) -цепочку, изменяющую траекторию рабочей точки силового транзистора, выпрямитель и йыходной диодно-индуктивно-емкостной фильтр, причем первичная обмотка и обмотка возврата трансформатора подключены к первому входному выводу преобразователя разноименными конца1 1, другой конец первичной обмотки трансформатора соединен через силовой транзистор с вторый входным выводом преобразователя, другой конец обмотки возврата соединен с вторъы входным вьшодом преобразователя через ДИОД} а вторичная обмотка трансформатора через выпрямитель и выходной диодно-индуктивно-емкостной фильтр подключена к выходным выводам преобразователя, вспомогательная ЯСТ) -цепочка, подключена между точкой соединения первичной обмотки трансформатора с силовым транзистором и точкой соединения обмотки возврата с диодом. На фиг.1 показана принципиальная схема предлагаемого преобразователяJ на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие его работу. Однотактный преобразователь постоянноГо напряжения (фиг.1) содержит формирователь управляющего сигнала 1, связанный с силовым транзистором 2, трансформатор 3 с первичной обмоткой 4j вторичной обмоткой 5 и обмоткой возврата 6. Кроме того, предлагаемый преобразователь содержит диод 7 и вспомогательную 15CD -цепочку, изменяющую траекторию рабочей точки силового транзистора, которая состоит из резистора 8, конденсатора 9, диода 10. Вторичная обмотка 5 трансформатора 3 через выпрямитель 11 и

ныходио диодно-индуктивио-емкостиой фильтр 12-14 подключена к выходным выводам преобразователя. Причем первичная обмотка 4 и обмотка возврата 6 трансформатора 3 подключены к первому входному выводу преобразователя разноименными концами, другой конец первичной обмотки 4 связан с вторым входным выводом преобразователя через силовой транзистор 2, другой конец обмотки возврата связан с вторым входным вьгеодом преобразователя через диод 7, а вспомогательная i5Cb -цепочка 8-10 подключена между точкой соединения первичной обмотки 4 трансформатора 3 с силовым транзистором 2 и точкой соединения обмотки возврата 6 с диодом 7. Входные выводы предлагаемого однотактног преобразователя подключены к источнику питания с напряжением Е Индуктивности рассеяния первичной обмотки трансформатора и обмотки возврата условно показаны на фиг.1 в виде отдельных элементов 15 и 16 соответственно.

Однотактный преобразователь постоянного напряжения работает следующим образом. Предположим, что выпрямительный диод 11 и рекуперационный диод 12 выходного диодноиндуктивно-емкостного фильтра обладают бесконечно малым временем переключения, обмотки 4 и 6 трансформатора 3 имеют равное число витков, а силовой транзистор 2 имеет бесконечно малое время рассасывания.

При подаче на базу силового транзистора 2, открывающего сигнал с формирователя управляющего сигнала 1 (момент времени -t-i на фиг.2), силовой транзистор 2 открывается, начинает проводить вьтрямительный диод 11, и энергия с вторичной обмотки 5 трансформатора 3 поступает на выходной диодно-индуктивно-емкостной фильтр 12-14 и выходные выводы преобразователя.

Кроме этого, при открывании силового транзистора 2 начинает протекать ток заряда конденсатора 9, вспомогательной СЪ -цепочки 8-10, который замыкается по цепи: обмотка 6 трансформатора 3 - индуктивность рассеяния 16-9-8-3- - Ер,цд, обмотка 6 трансформатора 3. В течение открытого состояния си.чового транзистора 2, интервал времени (ti-lj) на фиг.2, конденсатор 9 заряжается до напряжения, равного 2Кпцт В определенный момент времени заканчивается действие открывающего сигнала. На интервале времени (Ij-)) силовой транзистор 2 выключается, при этом ток его коллектора спадает до нуля. Одновременно с этим, начиная с момента времени t2 . начинается процесс перезаряда конденсатора 9, вспомогательной СЪ -цепочки 8-10, который идет по цепи: индуктивность рассеяния 15-10-9 - индуктивность рассеяния 16 - обмотка 6 - обмотка 4 - индуктивность рассеяния 15. При этом на интервале времени (ti-lij) происходит перераспределение тока (меяаду силовым транзистором и конденсатором 9 таким образом, что суммарный ток нагрузки преобразователя остается неизменным. В момент времени t- напряжение на коллекторе силового транзистора достигает величины напряжение на конденсаторе 9 перезаряжается до нуля. При этом выпрямительный диод 11 выключается и нагрузка отключается от преобразователя.

Начиная с момента времени -tj прцесс перезаряда конденсатора 9 вспомогательной I2ct) -цепочки продолжается за счет энергии, накопленной в индуктивностях рассеяни/1 15 и 16. В момент времени -fc напряжения на конденсаторе 9 перезаряжается до значения -ь2Епит и диод 7 открывается. Длительность интервала времени (-1з-±ч) зависит от соотношения между величинами индуктивностей рассеяния 15, 16 и емкости конденсатора 9.

Индуктивности намагничивания трансформатора 3 (индуктивности обмоток 4 и 6) в формировании фронтов напряжения на обмотках трансформатора участия не принимают.

При этом, чем больше величина индуктивности рассеяния 15 и 16, тем более продолжителен по времени интервал (ti-ti) и более ппавно нарастает напряжение на диоде 7, что прилижает режим при его включении к режиму включения на импульс малого тока, и падение напряжения на диоде не превьпиает в момент его включения величины установившегося значения нпряжения на открытом диоде. При этом напряжение на коллекторе силовогр транзистора фиксируется на ур.овне 2 ЕПМШ .+ Ug (где U( - паден напряжения на открытом диоде 7). В известном техническом решении Г 2} величина интервала времени ( a-tij), зависящая от соотношения мелоду величиной индуктивности рассеяния только первичной обмотки трансформатора и величиной емкости конденсатора вспомогательной -ц почки значительно меньше, чем предлагаемом. При этом более резко возрастает напряжение, что соответствует ВТСТТЙТ РН -Т этого диод на импульс 6оль51тог, тока Падени напряжен -1я на диоде,, подключенном к обмотке возврата трансформатора, момент его втотючбния значительно превьш1ает установившееся значение напряжения на открытом диоде. Таки образом, в момент включения диода, подключенного к обмотке возврата трансформатора5 в известном техническом решении напряжение на колле торе силового транзистора фиксирууровне 5 значительно превыш lEnum + UQ, На ш;его величину + UQ, На интервале времени (iii-tsy открыт д 7 и энергия, накопленная в индукти ности намагничивания трансформатор 3, возвращается в источник питания преобразователя. На этом интервале времени ток замыкается по цепи: обмотка 6 тран форматора 3 индуктивность рассеяния 16 - , об мотка трансформатора 3. В момент времени tg вся энергия; накопленная в инд-уктивносги намагничивания трансформатора 3, возвращается в источник питакил предлагаемого однотактного преобразователя, и диод 7 закрывается На интервале времени (tg-te) Напряжение на конденсаторе 9 вспомогательной RCD-цепочки падает до нуля. При этом ток разряда конденсатора 9 те чет по цепиг 9-8 - индуктивность рассеяния 15 - иадук-твность рассе яния 16-9. В MOKEiiT времени -tg ток разряда конденсатора станобитс равным нулю, а напряжение на скловом транзисторе становится рангам в момент времени 1::} на базу силового транзистора 2 подает ся открываюпшй сигнал с формироват ля управляющего пкгнапа 1, транзистор 2 открывается; начинает проно;и 1 ь в)1П})ямительный диод ii $ 936 и энергия с вторичной обмотки 5 трансформатора 3 поступает на выходной диодно-индуктивно-емкостной фильтр 12-14 и выходные выводы однотактного преобразователя. Одновременно с этим начинается процесс заряда конденсатора 9 вспомогательной -RCD -цепочки, которьй идет по цепи: обмотка 6 трансформатора 3 - индуктивность рассеяния 16-98-2- - Епит - + ЕПИП, - обмотка 6 трансформатора 3. При эгом форма тока заряда конденсатора на интервале времени (-b:;--fcg определяется величиной емкости конденсатора 9, величиной сопротивления резистора 9 и величиной индуктивности рассеяния 16 . Индуктивность намагничивания обмотки 6 трансформатора 3 не участвует в формировании тока заряда конденсатора 9 на интервале времени Q( j В момент времени -Ц ток заряда конденсатора Достигает своего максимума и начинает создать. В момент времени конденсатор 9 вспомогательной RCD -цепочки заряжается до напряжения, равного 2 В момент времени tg заканчивается действие открьшающего сигнала, силовой транзистор 2 начинает выключаться , ток его коллектора начинает спадать и все процессы в предлагаемом однотактном преобразователе повторяются . Таким образом, напряжение на конденсаторе iJOD -цепочки в известном техническом решении однополярно и изменяется от нуля до +2 Епи(П В предлагаемом же техническом решении ца пряжение на конденсаторе (ct) -Це- почки разнополярное и изменяется от - 2 Ъ до + 2 Enu(t Предлагаемый однотактньй преобразователь найряжения относительно прототипа имеет более высокую надежность. Это объясняется тем, что отггарание силового транзистора в прототипе возникают большие по величине импульсыколлекторного тока, вызванные разрядом конденсатора вспомогательной ISCt) -цепочки, изеняющей траекторию рабочей точки илового транзистора. Максимальная мплитуда импульсов коллекторного ока силового транзистора, вызванных азрадом упомянутого конденсатора, пределяется только величиной сопротивления резистора вспомогательной й.сО-цепочки. В предлагаемом техничасхом решении амплитуда импульсов коллекторного тока силового транзистора, вызванных зарядом конденсатора вспомогательной рр -цепочки, значительно меньше, так как определена не только величиной сопротивления резистора вспомогательной C.OD -цепочки, но и величиной индуктивности рассеяния обмотки возврата трансформатора.

Кроме того, более высокая надежность предлагаемого однотактного преобразователя постоянного напряжения объяо гяегся тем, что г-рн БКЛЮчении диода, подключенного к обмотке возврата тра.нсформатора преобр.эзователя, он работает в режиме- включения на импульс малого тока, при этом падение напряжения на диоде не Яревьпиает величины установившегося значения напряжения на открытом диоде, а напряжение на коллекторе силового транзистора фиксируется на уровне, не превышающем значен}1Я 2 Еп14щ + UQ. В .известном же техническом решении при закрывании силового транзистора более резко возрастает напряжение на диоде, подключенном к обмотке возврата трансформатора и при включении этот диод испытывает режим включения на импульс болшого тока. При этом падение напряжения на диода,подключенном к обмотке возврата трансформатора,значитель но превьшает установившееся значение напряжения на открытом диоде, а напряжение на коллекторе силового транзистора значительно превышает величину 1 Епцгп + U( Таким образом в предлагаемом техническом решении повышается надежность за счет уменьшения максимального значения напряжения на коллекторе силового транзистора преобразователя.

предлагаемый преобразователь имеет более высокий КПД. Это объясняется тем, что при включении силового транзистора напряжение мезвду его коллектором и змиттером устанавливается на уровне, соответствующем напряжению насыщения транзистора, по истечении времени равного времени накопления зарядов в области базы силового транзистора.

В момент времени, соответствующи подаче на базу силового транзистора отпирающего сигнала, напряжение между его коллектором и эмиттером во много раз превышает установившее я значение напряжения насьщения.

При этом в прототипе з момент включе ия силового транзистора выделяется зна лтельная импульсная мощность, как коллекторный ток силового транзистора в момент его открывания имеет выброс значительной амплитуды, обусловленный разрядом конденсатора вспомогательной QCJ)Цепочки, изменяющей траекторию рабочей точки силового транзистора. В предлагаемом однотактном преобразователе постоянного напряжения ток заряда конденсатора вспомогательной -цепочки нарастает медленно и достт гает своего максимума значительно позже момента включения силового транзистора. Это связано с тем, что в контур тока заряда конденсатора вспомогательЬой 6С1 -цепски входит в индуктивность рассеяния обмотки возврата трансформатора преобразователя, что объясняет значительно меньшую импульсную мощность, рассеиваемую в силовом транзисторе в момент его включения.

Кроме того, отсутствие импульсной перегрузки по току силового транзистора, в момент его включения позволяет применять в предлагаемом однотактнок преобразователе постоянного напряжения в постоянные более простые схемы формирования управляющего сигнала силового транзистора.

3 3.

ОДНОТАКТННЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий связанный с формирователем управляющего сигнала силовой транзистор, 1тэансформатор с первичной, вторичной обмотками и обмоТкой возврата. Диод, вспомогательную ftCD -Цепочку изменяйхцую траекторию рабочей точки силового транзистора, вьшрймитель и Выходной диодно-индуктивно-емкостной фильтр, причем первичная обмотка и обмотка возврата трансфорь1атора подключены к первачу входному выводу преобразователя разноименными концами, другой конец первичной обйотКи трансформатора соединен с вторым входным выводом преобразователя через силовой транзистор другой конец обмотки возврата Соединен с вторьм входнь2м вьюодом преобразователя через ДИ6Д, а вторичная обмотка трансфорнАтора через вьшрямйтель и выходной диодно-инду1стивно-емкостной фильтр подключена к вьЬсодным выводам преобразователя, отличающийс It тем, что, с целью повышения КПД и надежности преобразователя путем уменьшейия динамических потерь в силовом транзисторе, вспомогательная J5CD-цепочка подкйючейа меаду точкой соединения первичной обмотки трансформатора с силовым транзистором и точкой соединения обмотки возврата с диодом. :п ;о ;о :с

Enum.

/5 W

ч

16

Д

Фиг