Двухтактный преобразователь постоянного напряжения в постоянное Советский патент 1985 года по МПК H02M3/335 

Од. 4

ас

00

сд

1

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в системах электропитания.

Известны двухтактные транзисторные конверторы с.обратной связью по току нагрузки и гальванически развязанными входом и выходом, обладающие высоким КПД в большом диапазоне изменения нагрузки П1 и 2. Недостатком этих конверторов являются значительные потери мощности, потребляемой конвертором на холостом ходу. В основном эти потери вызваны рассеянием энергии намагничивания выходного трансформатора в элементах конвертора.

Наиболее близким к изобретению является двухтактный преобразователь постоянного напряжения в постоянное , содержащий силовые транзисторы, коллектор каждого- из которых присоединен через первичную обмотку токового трансформатора к концам обмотки выходного трансформатора, средняя точка которой подключена к одному из входных .выводов, а управляющий переход связан с вторичной обмоткой токового трансформатора з1.

Данное устройство характеризуется низким КПД из-за больших потерь мощности на холостом ходу и больших динамических потерь, а также низким быстродействием.

Целью изобретения является повышение КПД и быстродействия.

Поставленная цель достигается тем, что в двухтактном преобразователе постоянного напряжения в постоянное вторичная обмотка токового трансформатора включена последовательно в. эмиттерную цепь каждого из силовых транзисторов, а второй входной вывод подключен к объединенным базам этих транзисторов.

На фиг, 1 приведена принципиальная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы его работы в режиме нагрузки; на фиг. 3 - то же, в режиме холостого хода.

Схема включает силовые транзисторы 1 и 2, коллекторы которых подсоединены обмотке выходного транс4835.2

форматора 3; связанного через выпрямители 4 с выходными Выводами. Коллекторные цепи силовых транзисторов 1 и 2 связаны с первичными обмотками 5 и 6 токового трансформатора 7, вторичные обмотки которого 8 и 9 включены в эмиттерные цепи транзисторов, пусковой блок 10 - с обмоткой 11.

10 На фиг. 2 и 3 обозначено: а,Sколлекторные токи силовых транзисторов; Б ,2 - эмиттерные токи трашзисторов; g , е - базовые токи; ж - ток намагничивания токового

}5 трансформатора; Я - входной ток устройства; U - ток базы транзистора; К - ток коллектора транзистора 1; л - ток эмиттера транзистора 1.

0 В режиме нагрузки устройство работает следующим образом.

От пускового блока 10 поступает импульс на обмотку .1 1 трансформатора тока 7 с такой полярностью,

5 которая вызывает открьгоание транзистора 1. При этом через коллекторный переход транзистора 1 начинает протекать ток, величина которого определяется напряжением ,пита-

0 ния, нагрузкой и коэффициентом трансформации выходного трансформатора 3 (фиг.2d).Начальный ток базы определяется разностью токов эмиттера, вели-чина которого задается коэффициен, том трансформации тpaнqфopмaтopa тока 7. .

3.,,w,:5,r3,,li,,(lv):

Как известно из схемы замещения трансформатора, индуктивность намагничивания подключается параллельно его первичной обмотке (без учета индуктивности рассеяния). Ток первичной обмотки (без учета активных потерь) определяется как сумма приведенно,го к первичной обмотке токавторичной обмотки и тока намагничивания. Для случая трансформатора тока, когда ток рервичной обмотки задан, ток вторичной обмотки равен разности первичного тока и тока намагничивания, умноженной на коэффициент трансформации.

Для рассматриваемого случая ток

эмиттера транзистора 1 р.авен

1, -W KI образом,

3

с течением времени ток эмиттера уменьшается, так как от первичного тока вычитается ток намагничивания (фиг.26). Уменьшается с течением времени и ток базы, являющийся разностью токов эмиттера и коллектора (фиг.2 .).

В момент t, ток базы транзистора 1 изменяет свою полярность , и нчинается рассасывание неосновных носителей из базы (фиг.2а). В момент tj транзистор 1 начинает выходить в активный режим. При этом ток коллектора 1 начинает уменьшаться. Однако ток намагничивания трансформатора тока в обмотке 5 . скачком уменьшиться не может и индуцируется в обмотку 9, у которой имеется путь для его замыкания. Следствием этого является отпирание транзистора 2 и запирание 1.

После момента t ток коллектора транзистора 2, как и в первом полупериоде, определяется напряжением питания и нагрузкой (фиг.25). Ток намагничивания трансформатора 7 изменяется по кривой фиг.2 . Ток в обмотке 6 после момента tимеет такую полярность, что он вычитается из тока коллектора и, слдовательно-, складывается с током эмиттера (фиг.2г). С течением времени полярность тока намагничива кия в момент t измeняeтcя и он начинает вычитаться из тока эмиттера, уменьшая тем самым ток базы (фиг.2в). В момент t ток базы изменяет полярность и в момент t транзистор 2 запирается, а транзистор 1 открывается. В дальнейшем описанные процессы повторяются.

Во все моменты времени трансформатор трка 7 так же, как и выходной трансформатор 3 работает в линейных режимах. Это обстоятельство предает устройству новое свойство, заключающееся в увеличении рабочей частоты с уменьшением тока нагрузки.конвертора. Достигается это следующим образом. Скорость нарастания тока намагничивания трансформатора тока 7 пропорционална напряжению на его обмотках. Напряжение на эмиттерных обмотках трансформатора 7 равно падению напряжения на переходах эмиттер база транзисторов 1 или 2. С умень48354

шением тока эмиттера, например, в два раза это напряжение уменьшается незначительно. Таким образом, с изменением тока эмиттера скорость 5 изменения тока намагничивания и, следовательно, скорость спада тока базы изменяется незначительно. При уменьшении тока коллектора, например, в два раза начальный .

О ток базы также уменьшается в два

раза, скорость его уменьшения уменьшается гораздо меньше. Это приво ди к тому, что ток базы достигает нулевого значенияПОЧТИ в два

5 раза быстрее и период работы конвертора уменьшается, увеличивая частоту его выходного напряжения. Увеличение частоты с уменьшением нагруз1СИ позволяет уменьшить амплитуду

20 тока намагничивания выходного трансформатора, уменьшив тем самым динамические потери устройства.

Из-за того,.что транзисторы включены по схеме с общей базой, в устройстве существует цеп-ь для возврата реактивной энергии намагничивания трансформатора 3 обратно в источник питания (фиг.З). При выклю чении транзистора 2 в момент t О

30 ток намагничивания трансформатора 3 переключается на вторую половину его первичной обмотки и начинает протекать через коллекторный переход транзистора 1, работающий в

35 этом случае в режиме диода (фиг.3и,1с,

интервал времени 0-t.). При этом

входной ток преобразователя имеет

отрицательное значение, т.е. энер. гия не потребляется, а возвращает-

40 ся источнику (фиг.35).В интерва. ле времени 0-1, ток обмотки 5 трансформатора 7 трансформируется в об. мотку 8 и направлен встречно проводящему направлению перехода эмиттер

45 база транзистора 1. Из-за того,

что через коллекторно-базовый переход транзистора 1 протекает ток, транзистор 1 работает в инверсном режиме, переход эмиттер-база отпи-

50 рается и ток обмотки 8 замыкается протекая от эмиттера к базе (фиг.ЗА).

В момент t ток источника питания изменяет полярность, транзистор 1 отпирается и начинается потребление энергии от источника питания. Часть потребляемого от источника питания тока- расходуется на

покрытие потерь в прео6разовател& (фиг.З- - Jn).

С течением времени разность между токами эмиттера-коллектора уменьшается, изменяется полярность и после рассасывания неосновных носителей в базе транзистора 1 он запирается в момент tg. При этом ток намагничивания трансформатора 3 в источник питания начинает проходить через переход база-эмиттер транзистора 2. В дальнейшем описанные процессы повторяются.

64835. 6

аким образом , предлагаемое устройство характеризуется малыми потерями на холостом ходу и высоким КПД в широком диапазоне нагрузки, 5 увеличенной рабочей частотой, позволякяцей уменьшить габариты трансформаторов, отсутствием динамических выбросов напряжения и тока транзисторов, а также возможностью работы 10 на нагрузку, имеющей значительную

индуктивность, например,каскадное соединение выходных трансформаторов для увеличения напряжения электрической развязки цепей питания и выходных цепей .

ДВУХТАКТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, В ПОСТОЯННОЕ , содержащий силовые транзисторы, коллектор каждого из которых через первичную обмотку токового трансформатора присоединен к концам обмотки выходного трансформатора, средняя точка которой подключена к одному из входных выводов, а управляющий переход связан с вторичной обмоткой токового трансформатора, о тличающ и и с я тем, что, с целью повышения КПД и быстродействия, вторичная обмотка токового трансформатора включена последовательно в эмиттерную цепь калщого из силовых (Л транзисторов, а второй входной вывод подключен к объединенным базам зтих транзисторов.

f О

Фиг.1

т