Преобразователь напряжения Советский патент 1985 года по МПК H02M7/537 

11 Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для питания устройств автоматики, вычислительной техники, средств связи и т.п. Известны источники питания с бес трансформаторным входом, которые на повышенной частоте преобразуют выпрямленное сетевое напряжение в необходимые выходные напряжения с помощью транзисторных инверторов tli). Недостатком указанных источников «питания- является низкая надежность защит от сквозньк токов, возникающих при одновременном протекании тока через транзисторы инвертора, работающие в ключевом режиме, в момент их переключения из-за наличия некоторого времени рассасывания избыточных зарядов из области баз запираемых транзисторов. Одним из методов запщты от сквоз ных токов является применение гарантированнойпаузы между импуль сами управления инвертором .23. Недостатками такой защиты являются снижение выходной мощности и диапазона регулирования вькодного напряжения из-за ограничения длительности импульса на величину паузы увеличение габаритов выходного фильт ра, низкая надежность из-за сложнос ти выбора длительности гарантирован ной паузы с учетом влияния, факторов на время рассасывания неосновных но сителей из области баз запираемых транзисторов и разброса частотных свойств самих транзисторов. Известен также преобразователь напряжения, содержащий двухтактный инвертор с выходным трансформатором и систему управ1 ения, состоящую из задающего генератора, выход кото рого подключен к входу узла разделения фазы, прямой и инверсный выходы которого подключены соответственно к первым входам первой и второй лонических ячеек И, выходы которых через промежуточные усилители подключены к цепям управления силовыми ключами инвертора, и согласующих цепочек, подключенных входами к крайним выводам обмотки выходного трансформатора, средний вывод которой подключен к общему проводу системы управления, причем коллекторы силовых транзисторов через резистивные делители напряжения и защитные диоды 8 подключены к вторым входам первой и второй логических ячеек И 3j. Недостатками данного преобразователя являются низкий КПД из-за потерь мощности в транзисторах преобразователя напряжения в момент их включения и мощности, вьщеляемой в указанных делителях напряжения, и недостаточная надежность из-за возможности возникновения сквозных токов в результате насыщения выходного трансформатора при перегрузке или коротком замыканий вторичных обмоток. Например, при включении преобразователя напряжения происходит заряд конденсаторов фильтра, шунтирующих выходные обмотки трансформатора, и работа преобразователя с максимальными длительностями импульсов приводит к насыщению трансформатора Цель изобретения - повьппение надежности и КПД преобразователя напряжения. Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь напряжения, содержащий двухтактный инвертор с выходным трансформатором и систему управления преобразователем, -состоящую из задающего генератора, выход которого подключен к входу узла разделения фазы, прямой и инверсный выходы которого подключены соответственно к первым входам первой и второй логических ячеек И, выходы которых через промежуточные усилители подключены к цепям управления силовыми ключами инвертора, и согласующих цепочек, подключенных входами к крайним выводам обмотки вькодного трансформатора, средний вывод которой подключен к общему проводу системы управления, введен D-триггер защиты, подключенный D-входом к прямому выходу узла разделения фазы, С-входом через ячейку НЕ - к выходу задающего генератора, прямым и инверсным выхопом - соответственно к вторым входам первой и второй ячеек И, а R-И S-входами - к выходам согласующих цепочек, представляющих собой дифференцирующие КС-цепочки. На фиг. 1 показана принципиальная схема предлагаемого преобразователя; на фиг. 2 - диаграммы напряжения, поясняющие принцип ее работы. Преобразователь напряжения содержит соединенные последовательно входной выпрямитель 1, входной фильтр 2, инвертор 3, выходной трансформатор 4 систему управления преобразователем, состоящую из задающего генератора 5, выход которого подключен к входу узла 6 разделения фазы, прямой и инв.ерсный выход которого подключен соответственно к первым входам первой и второй 8 логических ячеек И, выходы которых подключены к промежуточным усилителям 9 с трансформаторным выходом, подключенным к цепям управления силовых транзисторов инвертора 3, D-триггера 10 защиты, подключенного D-входом к прямому выходу узла 6 разделения фазы,. С-входом черезячейку НЕ 11 - к выходу задающего генератора 5, прямым и инверсным выходом - соответственно к вторым входам первой 7 и второй 8 ячеек.И, а R- и S-входами через согласующие цепочки 13 - к крайним выводам дополнительной обмотки 12 выхоп)Ного трансформатора 4, средний вывод которой подключен к общему проводу системы управления. Кроме того, к третьим выходам вентилей И 7 и 8 подключен выход формирователя 16 импульсов управления инвертором, подключенный первым входом к выходному фильтру 15, подключенному к выпрямителю 14 напряжения вторичной обмотки выходного трансформатора 4, а входом синхронизации - к задающему генератору 5.

Преобразователь напряжения работает следующим образом.

Сетевое напряжение выпрямляется во входном выпрямителе 1, сглаживается входным фильтром 2, преобразуется в двзпстактном инверторе 3 (выполненным, например, на транзисторах по полумостовой схеме) в высокочастотное переменное напряжение прямоугольной формы, которое с помощью выходно го трансформатора 4 повышается либо понижается до необходимой величины.

Управление транзисторймн инвертора 3 осуществляет система управления через промежуточные усилители 9, к входам которых подключены выходы первой 7 и второй 8 ячеек И, в которых осуществляется формирование начала и конца импульсов управления инвертором (длительности импульса управления) путем.объединения на их входах сигналов с выходов узла 6 разделения фазы и В-тпиггера 10 защиты.

На .вход узла. 6 разделения фазы (вьтолненного, например, на триггере) поданы импульсы с выхода задающего генератора 5 (фиг. 2а). Триггер 6 изменяет свое состояние каждый раз в момент прихода переднего фронта импульса задающего генератора (фиг. 2 б, в). Триггер 10 защиты повторяет состояние триггера 6 в момент заднего фронта импульсов задающего генератора 5 (фиг. 2 д), так как его вход подключен к выходу задающего генератора 5 через ячейку НЕ инвертирующую импульсы задающего генератора (фиг. 2 г), а D-вход подключен к прямому выходу триггера узла 6 разделения фазы. Таким образом, на выходах ячеек И 7 и 8 формируется гарантированная пауза между импульсами управления инвертором, длительность которых равна длительности импульсов задающего генератора (фиг 2 е, ж). Длительность импульсов задающего генератора выбирается намного больще времени запирания насыщенного транзистора с учетом разброса параметров транзисторов и внешних воздействий, так как ее величина не влияет на работу преобразователя в установившемся режиме. Предположим, что в момент времени t, триггеры 6 и 10 установлены в единичное состояние (т.е. на прямых выходах присутствует логическая единица). При этом первая ячейка И 7 через усилитель 9 и первый транзистор инвертора 3 Формирует в началах обмоток выходного трансформатора положительный потенциал. В момент времени t, триггер 6 поп возпействием задающего генератора 5 изменяет свое состояние Первая ячейка И 7 запирается и первый транзистор инвертора 3 ч чинает запираться. Однако из-за ограниченных частотных свойств транзистора он закрывается некоторое время tj-t2 , продолжая генерировать пря -этом в начале обмоток выходного трансформатора положительный потенциал. После полного запирания первого транзистора инвертора за счет явления самоиндукции потенциал обмоток меняется на противоположный, что приводит к появлению на R-входе триггера 10 защиты положительного потенциала (фиг. 2 з)л устанавливающего его в нулевое состояние, (т.е. в состояние, в котором находится в данный

момент триггер 6). При этом открывается вторая .ячейка И 8, которая отпирает второй транзистор инвертора 3. Запирание второго транзистора происходит аналогично первому, а обмотка 12 при этом устанавливает триггер 10 в единичное состояние сразу после полного запирания второго транзистора и появления положительного потенциала на З-входе D-триггера 10 защиты (фиг, 2 и).

Таким образом, схема позволяет автоматически отпереть очередной транзистор инвертора 3 сразу после полного запирания предьщущего, что устраняет возможность протекания сквозных токов и обеспечивает максимальную ширину выходных импульсов, Кроме того, очередной транзистор инвертора включается при малом напряжении коллектор - эмиттер, так как за счет явления самоиндукции первичная обмотка выходного трансформатора 4 стремится уменьшить напряжение коллектор - эмиттер открывающего ся транзистора, а открывается оН в тот момент, когда ЭДС самоиндукции на дополнительной обмотке дорастает до напряжения логической единицы. Эт значительно уменьшает потери в транзисторах инвертора при включении и повышает КПД всего устройства в целом.

Если к входам ячеек И подключить выход формирователя 16 импуль сов управления инвертором, который в зависимости от выходного напряжения на выходном фильтре 15, подключенном к вьтрямителю 14 напряжения вторичной обмотки выходного трансформатора 4, формирует широтно-модулированные импульсы, синхронизированные с задающим генератором 5, то полученный преобразователь напряжения позволяет стабилизировать выходное напряжение, причем диапазон регулировки выходного напряжения расширен за счет того, что преобразовател позволяет увеличивать коэффициент заполнения периода до максимальной величины,- ограниченной только частот ными свойствами конкретных транзисторов инвертора,

В качестве формирователя импульсов управления инвертором может быть

узел, состоящий из усилитетгя обратной связи, на один из входов которого подано опорное напряжение, а на второй - выходное напряжение преобразователя, выход которого подключен к одному из входов компаратора, на второй из которых подано линеаризирующее напряжение, например., с выхода, генератора пилообразного напряжения, синхронизированного с задающим генератором. Выход компаратора является выходом формирователя.

Дополнительная обмотка 12 выходного трансформатора 4 подключена к Rи S-входам триггера 10 защиты через согласующие цепочки 13, роль которых могут выполнять разделительные диоды либо, для уменьшения потребляемой мощности от дополнительной обмотки, в качестве согласующих цепочек могут быть применены дифференцирующие RC-цепочки, так как для управления триггером 10 защиты достаточно кратковременного импульса с дополнительной обмотки.

При коротком замыкании во вторичных обмотках выходного трансформатора напряжение на дополнительной обмотке становится ниже величины логической единицы, что сразу же вызывает сужение импульсов управления до заданной заранее величины, равной паузе между импульсами задающего генератора 5, что обеспечивает одновременно защиту от короткого замыкания и от сквозного тока. То же самое происходит и при любой неисправности в цепи дополнительная обмотка - Dтрйггер заащты., что повышает надежность преобразователя.

Таким образом, предлагаемое устройство за счет введения дополнитльного D-триггера защиты и обмотки в выходном трансформаторе исключает возникновение сквозных токов инвертора, повьшгает КПД преобразователя за счет включения транзисторов инвертора при низком напряжении коллектор-эмиттер, обеспечивает более широкий диапазон регулировки выходного напряжения, так как появляется возможность получения максимального коэффициента заполнения.

и,

сети

/f

Вых

15

Itf

ггг

с

г

е

&

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий двухтактный инвертор С выходным трансформатором и сие-, тему управления, состоящую из задающего генератора, выход которого подключен к входу узла разделения фазы, прямой и инверсный выходы которого подключены соответственно к первым входам первой и второй логических ячеек И, выходы которых через промет жуточные усилители подключены к цепям управления силовыми ключами инвертора, и согласукячих цепочек,подключенных входами к крайним выводам обмотки выходного трансформатора, средний вывод которой подключен к общему проводу системы управления, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и КЦД, введен D-триггер защиты, подключенный D -входом к прямому выходу узла разделения фазы, С-входом через ячейку НЕ к выходу задающего генератора, прямым и инверсным выходом - соответственно к вторым входам первой и второй ячеек И, a R-и 5-входами - к вьрсодам в согласующих цепочек. 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что, с целью уменьшения потребляемой системой управления мощности, согласующими цепочками являются дифференцирующие ЙС-цейочки. СО 4 СО со оо

Ми

Ж

LiVMMBiiM B йяатяйящ 1 лЛ

13

12

tput.1