Высоковольтный высокочастотный преобразователь напряжения Советский патент 1985 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к устройствам преобразования жергии постоянного тока на входе в энергию постоянного тока на выходе с промежуточным 1 еобразованием в переменный ток с помощью статических преобразователей с использованием только полупроводниковых приборов и может найти применение а источниках вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры.

(Ьвестен высоковольтный высокочастотный преобразователь напряжения, содержащий формирователь импульсов управления, два транзисторных ключа, высоковольтный блок преобразования переменного напряжения в гюстоянное и цепь форсирования разряда паразитной емкости трансформатора (1).

Недостатком известного устройства является низкий КПД и высокий уровень пульсаций выходного напряжения.

Указанный недостаток обусловлен тем, что энергия, запасенная в паразитной емкости трансформатора высоковольтного блока рассеивается в активном сопротивлении цепи форсированного разряда. Переключение транзисторных ключей происходит при напряжении на них, равном входному напряжению питания, что не является оптимальным с точки зрения минимизации уровня пульсаций выходного напряжения.

Известен также высокочастотный инвертор, содержащий формирователь импульсов управления, два транзисторных ключа, трансформатор, выпрямитель, фильтр, цепь поперечной емкостной компенсации и схему, обеспечивающую переключение транзисторов в фиксированные моменты Времени 2.

Недостатком известного устройства является низкий КПД и высокий уровень пульсаций выходного напряжения. Указанный недостаток обусловлен тем, что переключение транзисторных ключей происходит при нулевом напряжении на открывающемся транзисторе, что не является оптимальным с точки зрения минимизаШ1И уровня пульсаций выходного напряжения. Цепь поперечной емкостной компенсации затягивает процесс перезаряда паразитной емкости трансформатора, что увеличивает длительность паузы между импульсами тока через транзисторные ключи, и, как следствие, приводит к увеличению габаритной мощности трансформатора и амплитуды импульсного тока через транзисторные ключи.

Наиболее близким к предлагаемому является высоковольтный высокочастотный преобразоват1ель напряжения, содержащий формирователь импульсов, прямой выход которого соединен с первым входом первого логического элемента И, а инверсный выход с первым входом второго логического эясменп

И, выход первого логического элемента И соединен с базой первого транзнстора, а выход второго логического элемента И соединен с базой второго транзистора, эмиттеры первого и второго транзисторов соединены с первыми входами первого и второго делителя напряжения и подключены к одной из входных клемм, коллектор первого транзистора соединен с вторым входом первого делителя напряжения и началом первичной обмотки трансформатора высоковольтного преобразователя переменного напряжения в постоянное, коллектор второго транзистора соединен с вторым входом второго делителя напряжения и концом первичной обмотки трансформатора высоковольтного преобразователя переменного напряжения в постоянное, средняя то4ка которой соединена с другой входной клеммой 3.

Недостатком известного устройства является низкий КПД и высокий уровень пульсаци выходного напряжения. Это обусловлено тем, что переключение транзисторных ключей происходит при напряжении на закрывающемся транзисторе, определяемым произведением порогового напряжения логического элемента И и коэффициента передачи делителя напряжения, уровень которого для обеспечения надежного запуска при вк лютен ИИ должен быть меньше входного напряжения питания, что не является оптимальным с точки зрения минимизации уровня пульсаций выходного напряжения. Наличие больщой паузы между импульсами тока через транзисторные ключи, определяемой временем разряда паразитной емкости трансформатора, приводит к увепич«1ию импульсного тока через транзисторные ключи, что снижает КПД устройства.

Цель изобретения - повышение КПД и уменьщение пульсаций выходного напряжения

Указанная цель достигается тем, что высоковольтный высокочастотный преобразователь напряжения, содержаний формирователь импульсов, прямой выход которого соединен с первым входом первого логического элемента И, а инверсный выход соединен с первым входом второго логического элемента И, выход первого логического элемента И соединен с базой первого транзистора, а выход второго логического элемента И соединен с базой второго транзистора, змиттеры первого и второго транзисторов соединены с первыми входами первого и второго делителя напряжения и подключены к одной из входных клемм, коллектор первого транзистора соединен с вторым входом первого делителя напряжения и началом первичной обмотки трансформатора высоковольтного преобразователя переменного напряжения в постоянное, коллектор второго транзистора соединен с вторым входом второго делителя напряжения и концом первичной обмотки трансформатора высоковольтного преобразователя переменного напряжения в постоянное, . средняя точка которой соединена с другой входной клеммой, введены два компаратора, два диода, дроссель с регулируемой индуктивностью, два резистора и конденсатор, причем щюссель с регулируемой индуктивностью подклгочен между коллекторами первого и второ го транзисторов, к которым подключены соответственно аноды первого и второго диодов, катодь которых подключены к одному из выводов первого резистора, другой вывод которого подключен к пгрвой обкладке введенного конденсатора, к первому выводу второго резистора и к инвертирующим входам первого и второго компараторов, второй вывод второго резистора и вторая обкладка конденсатора подключены к эмитте рам первого и второго транзисторов, выход первого делителя напряжения подключен к неинвертирующему входу второго компаратора а выход второго делителя напряжения подключен к неинвертирующему входу первого компаратора выходы первого и второго компараторюв соединены соответственно с вторыми входами первого и второго логических элементов И. На фиг. ) приведена структурная схема высоковольтного высокочастотного преобразователя напряжения: на фиг. 2 - одна из возможных схемотехнических реализаций высо ковольтного преобразователя переменного напряжения в постоянное; на фиг. 3 - диаграммы напряжения и тока в разных точках высо ковольтного высокочастотного преобразователя напряжения. Высоковольтный высокочастотный преобразо ватель напряжения содержит формирователь 1 импульсов, первый логический элемент И 2, второй логический элемент И 3, первый транзистор 4, второй транзистор 5, первый делитель 6 напряжения, второй делитель 7 напряжения, высоковольтный преобразователь переменного напряжения в постоянное, первый компаратор 9, второй компаратор 10, дроссель 11 с регулируемой индуктивностью, первый диод 12, второй днод 13, первый резистор 14, конденсатор 15, второй резистор 16, повышающий трансформатор 17, выпрямитель 18, емкостной фильтр 19. Высоковольтный высокочастотный преобразователь напряжения, приведенный на фиг. 1, содержит формирователь 1 импульсов, прямой выход которого соедашем с первым входом первого логического элемента И 2, а инверсный выход соединен с первым входом второго логического эяемента И 3. Выход 84 первого логического элемента И 2 соединен с базой первого транзистора 4, а выход второго логического элемента И 3 соединен с базой второго транзистора 5. Эмиттеры первого 4 и второго 5 транзисторов соединены с первыми входами первого 6 и второго 7 делителей напряжения и подключены к одной из входных клемм. Коллектор первого транзистора 4 соединен с вторым входом первого делителя 6напряжения, с анодом первого диода 12 и началом первичной обмотки трансформатора высоковольтного преобразователя 8 переменного напряже1гия в постоянное. Коллектор второго транзистора 5 соединен с вторым входом второго делителя 7 напряжения, с анодом второго диода 13 и концом первичной обмотки трансформатора высоковольтного преобразователя 8 переменного напряжения в постоянное. Средняя точка первичной обмоткн трансформатора соединена с другой входной клеммой. Дроссель 11 с регулируемой индуктивностью включен между коллекторами первого 4 и второго 5 транзисторов. Катоды первого 12 и второго 13 диодов подключены к одному из выводов первого резисторов 14, другой вывод которого подключен к первой обкладке емкости 15, к первому выводу второго резистора 16 и к инвертируюидам входам первого 9 н второго 10 компараторов. Второй вьтвод второго резистора 16 и вторая обкладка емкости 15 подключены к эмиттерам первого 4 и второго 5 транзисторов. Выход первого делителя 6 напряжения подключен к неинвертирующему входу второго компаратора 10, а выход второго делителя 7 напряжения подключен к неннвертирующему входу первого компаратора 9. Выходы первого 9 и второго 10 компараторов соединены соответственно с вторыми входами первого 2 и второго 3 логического элемента И. Высоковольтный преобразователь переменного напряжения в постоянное содержит повышающий трансформатор 17, выходная обмотка которого подключена к входу мостового выпрямителя 8. Выход мостового шшряяппеля 18 подключен к емкостному фильтру 19 и клеммам для подключения нагрузки. Формирователь импульсов обеспечивает на своих выходах два парафазных сигнала 1фямоугольной формы со. сква:шюсп,ю 2 (диаграммы 20 и 21). На выходе первого логического элемента И формируются импульсы управления первьш транзистором (диаграмма 22). Причем момент за1гараняя транзистора совпадает с фр яггом импульса формирователя импульсов, а момент отпирания транзистора задержш ofBocmenbHO юнта импульсов формирователя HMnyjKcoB. Эпюра напряжения на первом траизисторе приведена на диаграмме 23. Диагрттл 22 и 23 приво-. дятся без учета времени рассасывания транзисторов и времени восстановления выходных диодов, так как это не влияет на характер протекающих процессов. На втором логическом элементе И и на втором транзисторе эторы напряжения имеют аналогичную форму, но сдвинуты на 180 относительно диаграмм 22 и 23. Отпирание первого транзистора происходит при наличии уровня логической единища на выходе первого логического элемента И, кото рый появляется при наличии двух логических единиц на входе. Уровень логической единицы на выходе компаратора появляется, если сигна на неинвертирующем входе превышает сигнал на инвертирующем входе. Эпюры напряжений на входе первого компаратора приведены на диаграмме 24. На инвертирующий вход обоих компараторов подается пороговое напря жение через делитель напряжения на первом и втором резисторе, фильтрующую емкость и двухтактный выпрямитель на первом и втором диоде, которое пропорционально двойной величине входного напряжения. На неинвертирующий вход первого компаратора подается через второй делитель напряжения измеряемое напряжение с коллектора второго транзистора, а на неинвертируюший вход второго компаратора подается через первый делитель напряжения измеряемое напряжение с коллектора первого транзистора. Таким обр зом момент переключения компараторов, определяется характером процессов на коллекто рах транзисторов конвертора. Рассмотрим эпюру напряжения на коллекто первого транзистора, приведенную на диаграм ме 23. На интервале времени ., первый транзистор открыт и находатся в состоянии насыщения. В момент времени t первый транзистор запирается и ток в нем спадает до нуля {диаграмма 25). В этот же момент времени запираются диоды выходного выпрямителя и отключают нагрузку и выходную емкость от вторичной обмотки трансформатора. Выходной высоковольтный трансформатор характеризуется большой величиной емкости вторичной обмотки, приведенной к пер вичной обмотке. Поэтому на интервале времени t., - t J происходит перезаряд емкости вторичной обмотки трансформатора его током холостого хода. В момент времени t2 емкость вторичной обмотки разряжается до нуля. На интервале времени tj- tj напряжение на емкости вторичной обмотки начинает увеличиваться, изменив- полярность, за счет энергии, запасенной в индуктивности намагничивания трансформатора. На этапе времейи t напряжение на первом транзисторе связано с напряжением на емкое ти вторичной обмотки трансформатора соотнощениемUrT , а напряжение на втором транзисторе UOI/I T, коэффициент трансформации трансформатора; Upj - напряжение на емкости вторичной обмотки трансформатора. В момент времени tj напряжения на . входах второго компаратора сравниваются, компаратор переключается и открывается второй транзистор. На интервале времени tjt напряжение на первом транзисторе увелнг чивается до величины двойного входного напряжения. На этом этапе происходит заряд емкости вторичной обмотки трансформатора, которая отключена от нагрузки выходным выпрямителем, так как имеет меньщее напряжение, чем емкость выходного фильтра. На интервале времени t,- t через второй транзистор протекает только ток заряда емкости вторичной обмотки трансформатора. Учитывая, что ток в индуктивности не может измениться скачком, величина тока через индуктивность рассеивания вторичной обмотки в момент времени t является начальным условием для интервала .. когда открыт второй транзистор и энергия от первичного источника передается в нагрузку. Форма тока через второй транзистор на апе определяется соотнощением индуктивности рассеивания вторичной обмоткн трансформатора, сопротивлением нагрузки и начальными условиями в момент времени На интервале времени ,процессы аналогичны интервалу времени t.,- t. И да,лее все этапы работы повторяются.. Рассмотрим условия оптимального выбора режима переключения транзисторов пр еобразователя с целью повышения КПД и уменьшения уровня выходных пульсаций. С целью повышения КПД преобразователя напряжения необходимо ограничить импульсный ток заряда емкости вторичной обмотки трансформатора, уменьшить время перезаряда емкости вторичной обмотки трансформатора. Ограничение импульсного тока заряда емкости вторичной обмотки трансформатора в соответствии с приведенным соотношением может быть получено, если в момент времени J напряжение на закрывающемся транзисторе будет близко к двойному входному напряжению. Перезаряд емкости вторичной обмотки трансформатора состоит из двух этапов. Обычно в трансформаторе индуктивность намагничивания много больше индуктивности рассеивания, поэтому интервал времени t J- t.много меньше 1штервала времени и им можно пренебречь. Уменьшение времени перезаряда емкости вторичной обмотки трансформатора может быть колучено яри уменьшении индуктивнос ти намагничивания и увеличении значения тока в индуктивности намагничивания в момент вредлени t. С этой целью в предлагаемой схеме введен дроссель с регулируемой индуктивностью, который- позволяет регулировать время перезаряда емкости вторичной обмотки трансформатора. Для уменьшения пульсаш1й выходного на ряжения при постоянстве емкости выходног конденсатора Cj, и Т - перехода частоты вьшрямленного напряжения необходимо уменьшать среднюю величину тока через вы ходную емкость. Мгновенное значение тока через выходную емкость описывается соотношениемс - „ - ) Так как величина тока нагрузки „ пост янна в течение периода, то для того, .чтобы величина тока через выходную емкость if имела минимальное значение необходимо, чт ft, переменная составляющая тока через транзистор i и суммарный ток намагничивания трансформатора i „ и ток дросселя i р совпадали по форме и амплитуде. На диаграмме 25 приведена оптимальная форма тока через транзисторы конвертора, а на диаграмме 26 приведена форма суммарного тока намагничивания трансформатора и тока щюсселя. На 1фактике установлено, что оптимальна форма тока через транзисторы конвертора, позволяющая - получить максимальное значение КПД при минимальном уровне т льсашт получается, если включение транзистора происходит при напряжении на ием (0,2 84 . 0,8) и, , а длительность паузы в токе составляет 5-15% от длительности периода. Иричем большая величина паузы в токе и наименьшая величина напряжения на транзисторе при его включении соответствует трансформатору с большим коэффициентом трансформации. Для того, чтобы включение транзистора происходило при напряжении на нем (0,2 0,8) Ujx , необходимо, чтобы пороговое напряжение на входе компаратора было пропорционально (1,2-1,8) Ug. В,то же время для обеспечения запуска конвертора необходимо, чтобы в первый момент времени напряжение на входе компаратора было пропорционально напряжению, меньшему U, . С этой целью пороговое напряжение на входе компаратора формируется с помощью двух1юлупериодного выпрямителя на первом и втором диода х, подключенных к коллекторам транзисторов. В первый момент времени при включении оба транзистора закрыты и напряжение на них равно Uj, поэтому пороговое напряжение на входе компаратора пропорционально (0,6-0,9) Uj. После выхода транзисторов в номинальный режим переключения напряжения на закрьггом транзисторе будет равно 2 Uj,. Поэтому пороговое напряжение на. входе компаратора возрастает до величины пропорциональной (1,2-1,8) Ug . Таким образом предлагаемый высоковольтный вь сокочастотный преобразователь напряжения обладает .новой качественной характеристикой - возможностью работы при напряжении на включаемом транзисторе равном 0,2-0,8 от величины входного напряжения в широком диапазоне его изменения. Новая качественная характеристика позволила получить оптимальную форму тока через транзисторы преобразователя няпряжешм, при которой повышается КПД и уменьшаются пульсашш выходного напряжения за счет уменьшения амплитуды зарядного тока через выходную емкость..

Фиг.2

ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий формирователь импульсов, прямой выход которото соединен с первым входом первого логического элемента И, а инверсный выход соединен с первым входом второго логического элемента И, выход первого логического элемента И соединен с базой первого транзистора, а выход второго логического элемента И соединен с базой второго транзистора, эмиттеры первого и второго транзисторов соединены с первыми входами первого и второго делителя напряжения и подключены к одной из входных клемм, коллектор первого транзистора соединен с вторым входом первого делителя напряжения и началом первичной обмотки paнcфopмa opa высоковольтного преобразователя переменного напряжения в постоянное, коллектор второго транзистора соединен с вторым входом второго делителя напряжения и концом первичной обмотки трансформатора высоковольтного преобразователя переменного напряжения в постоянное, средняя точка которой соединена с другой входной клеммой, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД и уменьшения пульсаций выходного напряжения, в него введены два компаратора, два диода, дроссель с регулируемой индуктивностью, два резистора и конденсатор, причем дроссель с регулируемой индуктивностью подключен между коллекторами первого и второго транзисторов, к которым подключены соответственно аноды первого и второго диодов, катоды которых подключены к одному иа выводов первого резистора, другой вывод которого подключен к первой обкладке введенного конденсатора, к первому- выво; второго резистора и к ннвертнруюшим входам первого и второго компараторов, второй вьгаод второго резистора и вторая обкладка конденсатора подключены к эмиттерам первого и транзисторов, вьрсод первого делителя напряжения подключен СП к неинвертнруюшек у входу второго компара со тора, а выход второго делителя напряжения подключен к неюпертируюшему входу первого 00 00 4i компаратора, выходы первото и второго компараторов соединены соответственно с вторыми входами первого н второго логических Элементов И.