Стабилизирующий преобразователь постоянного напряжения Советский патент 1985 года по МПК H02M3/335 

2.Преобразователь по п. I, о тл и ч а ю 1д и и .с я тем, что магнитно-транзисторный блок гальванической развязки выполнен в виде транзисторного ключа, коллектор которого соединен с вьшодом первичной обмотки выходного трансформатора, а другой вывод указанной обмотки и эмиттер транзисторного ключа соединены

с силовыми выводами блока гальванической развязки, причем управляющий вход последнего связан с базой транзисторного ключа.

3.Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, ч.то,

с целью уменьшения массы реактивных

элементов преобразования, вместо выходного трансформатора введен магнитно-транзисторный двухтакт-ный генератор, а коллектор-эмиттерный переход указанного ключа зашунтирован обратным диодом.

А. Преобразователь по п. 3. отличающийся тем, что двухтактный генератор подключен непосредственно к силовым выводам блока гальванической развязки, а управляющий Ьход последнего через резисторы связан с входами транзисторов, шунтирующих силовыми переходами базоэмиттерные переходы транзисторов двухтактного генератора.

1. СТАБИЛИЗИРУЙЩЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ 1ЮСТОЯННОГО НАПРЯЖЕШЯ, содержащий однотактный транзистор.ный конвертор, коллектор силового транзистора которого через первичнуй обмотку силового трансформатора соединен с одной из входных клемм, а эмиттер - с второй входной клеммой, входная цепь силового транзистора соединена через резистор с обмоткой положительной обратной связи и через пусковой резистор - с выходной клеммой, вторичная обмотка силового трансформатора через обрат;но включенньй диод соединена с выходными клеммйми, параллельно которым включен конденсатор фильтра и первый вход блока сравнения, второй вход которого соединен с.выходом источника опорного напряжения, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, расширения функциональных возможностей и уменьшения уровня излучаемых помех, первый вход блока сравнения соединен с одним выводом вторичной обмотки силового трансформатора через введенный резистор, а с другим выводомчерез введенный конденсатор, кроме того, выход блока сравнения соеди(Л нен с управляющим входом введенного магнитно-транзисторного блока гальванической развязки, силовые входы которого соединен с выходными клеммами, а вторичная обмотка выходного трансформатора блока гальванической развязки через выпрямитель соединена с входом силового транзистора.

I

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в устройствах автоматики и вторичного электропитания.

Известны устройства вторичного электропитания, содержащие самовозбуждающийся транзисторный конвертор с обратным включением диода, к выходу которого подключено устройство сравнения и f 2 }.

Стабилизация выходного напряжения в этих устройствах осуществляется линейным регулированием базового тока силового транзистора от выходного напряжения устройства сравнения посредством регулирующего транзистора.

Недостатком таких устройств является отсутствие гальванической развязки между входом и выходом конвертора.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является импульсный стабилизирующий источник постоянного напряжения, содержащий однотактный транзисторный конвертор коллектор силового транзистора которого через первичную обмотку силового трансформатора соединен с одной из входных клемм, а эмиттер с второй входной клеммой, входная цепь силового транзистора соединена через резистор с обмоткой положительной обратной связи и через пусковой резистор - с входной клеммой, вторичная обмотка силового трансформатора через обратно включенный диод соединена с выходными клеммами, параллельно которым включен конденсатор фильтра и первый вход устройства сравнения, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения Г2. Выходное напряжение регулируется за счет управляемого сокращения интервала передачи энергии, запасенной в трансформаторе конвертора, а емкость фильтра - посредством разряда дополнительной емкости через тиристор на обмотку трансформатора .

Однако такое устройство характеризуется недостаточно высоким КОД,

уто является следствием двуз причин. Во-первых, на интервале проводящего состояния силового транзистора втори ная обмотка трансформатора нагружена на.дополнительную коммутирующую

емкость через диод, что вызывает

необходимость в увеличении тока смещения силового транзистора для обеспечения режима автоколебаний пропорционально коммутирующей емкости. При высоком входном напряжении (50-70 В) потери в пусковом резисторе приведут к заметному ухудшению КПД всего устройства. Во-вторых, переключение схемы на интервал накопления энергии в индуктивности трансформатора до окона ,

чания интервала передачи энергии в нагрузку приводит к возникновению сквозного тока через силовой диод конвертора на этапе рассасывания избыточного заряда в переходе. Это не только снижает общий КПД, но и значительно повышает уровень помех, излучаемых устройством.

Кроме того, отсутствие возможности работы при мальп Гэках нагруз (и икс /иин 2) и в режиме холостого хода. Объясняете это тем, что стабилизация выходного напряжения осуществляется путем дополнительного отбора мощности из сети, т.е. устройство стабилизации может только повысить напряжение относительно того, при котором цепь обратной связи отключена. При отсутствии тока нагрузки выходное напряжение неограниченно возрастает, чго при определенном значении последнего приводит к выходу из строя силового транзистора

Целью изобретения является повышение КПД, уменьшение уровня излучаемых помех и расширение функциональных возможностей устройства.

Поставленная цель достигается тем что в стабилизированном преобразователе постоянного напряжения, содержащем однотактный транзисторный конвертор, коллектор силового транзистора которого через первичную обмотку си:Лового трансформатора соединен с одной из входных клемм, а эмиттер - с второй входной клеммой, входная цепь силового транзистора соединена через резистор с обмоткой положительной обратной связи и через пусковой резн тор - с входной клеммой, вторичная омотка силового трансформатора через обратно включенный диод соединена с выходными клеммами, параллельно которым включен конденсатор фильтра и первый вход блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, первьй вход блока сравнения соединен с одним из выводов вторичной обмотки силового трансформатора через введенный конденсатор, а С другим через введенный резистор, кроме того, выход блока сравнения соединен с управляющим входом введенного маг- нитно-тра1 зисторного блока- гальва- нической развязки, силовые входы которого соединены с выходными клеммами, а вторичная обмотка выходного

591254

трансформатора блока гальванической развязки через выпрямитель соединена с входом силового транзистора.

Магнитно-транзисторный блок гальJ ванической развязки выполнен в виде транзисторного ключа, коллектор которого соединен с одним выводом первичной обмотки выходного трансформатора, а другой вывод указанной g обмотки и эмиттер транзисторного ключа связаны с силовыми выводами блока гальванической развязки, причем управляющий вход последнего связан с базой транзисторного ключа.

j С целый уменьшения массы реактивных элементов преобразования вместо выходного трансформатора введен , магнитно-транзисторный двухтактный генератор, а коллекторно-эмиттерный

0 переход транзисторного ключа зашунтирован обратным диодом,

Двухтактный генератор подключен непосредственно к силовым выводам блока гальванической развязки, а

J управляющий вход последнего -через резисторы соединен с входами транристоров, шунтирующих силовыми переходами базо-эмиттерные переходы транзисторов двухтактного генератора.

0

На фиг. приведена принципиальная схема стабилизирующего преобразователя постоянного напряжения, на фиг, 2, 3 и 4 - варианты исполнения магнитно-транзисторного блока

5 гальванической развязки.

.Устройство содержит однотактный конвертор I, включающий силовой транзистор 2, силовой трансформатор |3, диод 4 и конденсатор 5 фильтра,

к выходу которого подключен блок 6 сравнения, реэистианый делитель 7, 8, синхронизирующую цепочку на конденсаторе 9 и резисторе 10 и источник I 1 опорного напряжения, причем выход

блока 6 сравнения через магнитнотранзисторный блок 12 гальванической развязки и выпрямитель 13 связан с входом силового транзистора 2, резисторами 14 и 15, диодом 16 и конденсатором 17, а к выходу источника 11 подключена нагрузка 18. ;

Магнитно-транзисторный блок 12 гальванической развязки выполнен в виде транзисторного ключа 19 с

5 импульсным трансформатором 20 и имеет следующие выводы: а, в - силовые выводы для подключения питания блока гальванической развязки; б - управS и

ляющнй вход блока гальванической развязки; г, д - вьюоды вторичной обмотки выходного трансформатора блока гальванической развязки,

В коллекторную цепь ключа 19 подключен двухтактный магнитно-транзисторный генератор 21, управляющие переходы основных транзисторов которого 22 и 23 шунтированы силовыми переходами транзисторов 24 и 25, а коллектор-эмиттерный переход ключа 19 шунтирован обратным диодом 26.

Устройство рабцтает следующим образом ,

За счет протекания тока через резистор 15 силовой транзистор 2 находится в активной области, и по цепи полож$ггедьной обратной связи резистор 14 и диод 16 - развивается лавинообразный процесс, приводящий к насыщению транзистора 2. Начинается процесс накопления энергии в индуктивности трансформатора 3. При увеличении тока первичной обмотки д величины, при которой транзистор 2 .выходит из области насьпцения, развивается обратный лавинообразный Процесс, приводящий к запиранию транзистора 2. Начинается второй этап - передача энергии, накопленной в индуктивности трансформатора 3, через диод 4 в емкость выходного фильтра 5.

Стабилизация выходного напряжения осуществляется сокращением Bpiaмени открытого состояния -транзистора 2. При этом мощность, потребляемая конвертором,, уменьшается, чем и достига;ется поддержание не обходимого уровня выходного напряжения. Для того, чтобы запирающий импульс напряжения с трансформатора 20, прикладываемого к входу силового транзистора, поступал в строго определенное время, измерительный вход блока 6 образован резисТивным делителем 7, 8 выходного на- . пряжения, причем резистор 8 щунтирован конденсатором 9 и через ре зистор 10 связан с обмоткой трансформатора 3. Подобное включение позволяет получить в Средней точке делителя 7, 8 пилообразное напряжение, синхронное с напряжением обмотки трансформатора, причем коэффициент деления определяется только величинами сопротивлений резисторов

У125в

7, 8, а амплитуда пилы - постоянной времени резистора 10 и конденсатора 9 и амплитудой напр-яжения на вторичной обмотке трансформатора 3.

5 В момент сравнения на импульсном трансформаторе 20 формируется импульс, напряжения, который с вторичной обмотки че.рез выпрямитель 13 форсированно запирает силовой транзистор 2. Окончание импульса на. трансформаторе 20 происходит на ниспадающем участке пилы и, следовательно, длительность импульса можно определить как удвоенное значение времени рассасывания избыточного за-ряда в базе силового транзистора.

Таким образом, в момент включения транзистора 2 потребление мощности осуществляется только входной цепью силового транзистора, следовательно, величина пускового резистора оказывается максимально возможной с точки зрения возникновения устойчивых автоколебаний, сквозные токи через диод 4 отсутствуют. поскольку включение, транзистора 2 осуществляется только после запирания диода, т.е. после

Q полной передачи энергии из трансформатора 2 в емкость фильтра 5, за счет форсированного запирания транзистора 2 уменьшается время рассасывания,,что приводит к умень-. шению динамических потерь и увеличению максимально возможной частоты преобразования.

Рассмотрим процесс уменьшения .тока нагрузки от максимального значения до нуля, при котором за счет сокращения интервала накопления энергии частота преобразования растет «пропорционально-уменьшению тока нагрузки согласно выражению

и..

ех

(1

где L - индуктивность первичной

обмотки.трансформатора 3; Kfp - коэффициент передачи трансформатора 3; 1„ - ток нагрузки. В выражении (l 1 коэффициент заполнения, напряжения условно принят равньм 0,5.

Из выражения (1 ) видно, что при полном сбросе нагрузки частота преобразования бесконечно растет, -однако в реальной с1семе (фиг. I ) в 7 качестве нагрузки используется блок 6 сравнения с дели1елем напряжения 7, 8, источником 11 опорного напряжения и блок 12 гальванической развязки. Максимальная частота преобразования, при которой происходит регулирование в схеме по фиг. I и 2 определяется из условия пропускания трансформатором 20 запирающих импульсов .где tj - период перемагничивания трансформатора 20; tp - время рассасывания неоснов ных носителей в базе силов го транзистора 2. Время прямого перемагничивания, в течение которого действует запира ющий импульс, определяется как 2tp, так как после перехода пилы на ни,спадающий участок в течение tp компа ратор 6 продолжает оставаться в том же состоянии, и время обратного пер магничивания при удвоенном напряж«нин на первичной обиотке определяет ся также величиной tp. При дальнейшем увеличении частоты (уменьшении тока нагрузки )происходит насышение трансформатора и выход устройства и режима стабилизации. Из выражения (2 ) граничную часто ту преобраэоваиия можно определить как Для маломощных (единицы ватт) пр образователей на высркс)частотных транзисторах потери на управление составляют не менее 5% от.выходной мощности преобразователяj а время рассасывания при форсированном запитйнии не превышает 0,2 МКС. Следовательно, при полном сбросе тока нагрузки выходной ток преобразовав теля уменьшается в 20 раз и соответственно возрастает частота преобра зования. Так, при начальной частоте ГО кГц (IH IH««№ частота при составляет 200 кГц, а область устойчивой работы согласно выражению (3V определяется как. З.о 2мкс 58 Из выражений (l ) и (3 можно записать условие устойчивой работы при полном сбросе нагрузи в виде f fНМД КС ч ,.,.u f г; irn 1 (4-) Чх мин J где fj максимальная частота преобразования, соответствующая нулевому току нагрузки; минимальная частота, соответствующая максимуму тока нагрузки; потребление тока устройст вом управления. Дпя более мощных устройств доля потерь на управление снижается до 2%, а время рассасывания увеличивается до 1-2 МКС. Из выражения (4) определяют,2 кГц f f «ИИ г Р Повысить минимальную частоту, а следовательно, уменьшить массу реактивных элементов можно, исключив ограничение по выражению (2). Для этого (фиг. 3 и 4) вместо импульсного трансформатора включается Mai- нитно-транзисторный автогенератор, который передает запирающие импульсы от компаратора любой необходимой длительности. При невыполне:1ии условия (4 I имеет место задержка включения силового транзистора после окончания интервала передачи энергии в емкость фильтра, а схема переходит в режим стабилизации по принципу релейного регулятора. Элементы 16 и 17 не являются принципиально необходимыми, а используются при повышенных входных напряжениях (50-70 В) для уменьшения мощности в пусковом резисторе 15. Необходимо отметить, что повышение частоты при уменьшении тока нагрузки не приводит к увеличению динамических потерь, так как включение транзистора происходит при нулевом токе, а выключение - при токе, значение, которого уменьшается пропорционально увеличению частоты преобразования.

J

го

Ч

.

-CZH

(Pf/г.