Преобразователь постоянного напряжения Советский патент 1986 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах электропитания узлов автоматики, вычислительной техники и средств связи, в которых требуется преобразование постоянного напряжения и гальваническое разделение входных и выходных цепей.

На фиг. 1 изображена блок-схема устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений на его элементах.

Транзисторный инвертор (фиг. 1) содержит два силовых транзистора 1 и 2, эмиттеры которых объединены и соединены с общей шиной инвертора, а к их коллекторам подключены крайние выводы первичной обмотки 3 выходного трансформатора 4, отвод от средней точки которой соединен с плюсовым выводом источника 5 питания постоянного тока, а минусовой вывод этого источника соединен с обидей шиной инвертора, вторичная обмотка 6 выходного трансформатора 4 соединена с нагрузкой 7. Кроме того, устройство содержит цепь 8 положительной обратной связи, включенную 1арал;1ельно первичной обмотке 3 трансформатора 4 и состояп1.ую из последовательно соединенных балластного резистора 9, управляемого ключевого элемента 10, первичной обмотки 11, переключающего трансформатора 12, вторичные обмотки 13 и 14 которого подключены через базовые резисторы 15 и 16 к переходам база-эмиттер силовых транзисторов 1 и 2, синхронизирующий генератор 17 прямоугольных импульсов, импульсный трансформатор 18, подключенный к выходу генератора 17, выводы вторичной обмотки 19 которого соединены с унравляющим входом 20 управляемого ключевого элемента 10, а второй вторичной обмотки 21 этого же трансформатора 18 подключены к входу 22 синхронизации блока 23 принудительного за- нирания, выходы 24 и 25 которого подключены к переходам база-эмиттер силовых транзисторов 1 и 2 соответственно, устройство 26 запуска, выход которого соединен с базой силового транзистора 1.

Инвертор работает следующим образом.

При включении инвертора питающее напряжение с источника 5 постоянного тока поступает на устройство 26 запуска, генератор 17 прямоугольных импульсов и двухтактную инверторную ячейку, выполненную на силовых транзисторах 1 и 2. Устройство 26 запуска формирует короткий одиночный импульс напряжения (фиг. 2а), который подается на базу силового транзистора 1 в момент времени to. Последний начинает открываться и потенциал на его коллекторе уменьшается. Пусть в момент времени to генератор 17 также генерирует импульс напряжения (фиг. 2 б), благодаря которому ключевой элемент 10 находится в проводящем состоянии (фиг. 2 в), так как на его управляющий вход 20 подается соответ5

ствующий сигнал с вторичной обмотки 19 трансформатора 18. В этот же момент времени с обмотки 21 трансформатора 18 на вход 22 синхронизации блока 23 прину- 5 дительного запирания подается такой сигнал, что напряжения на управ,ляюидих выводах 24 и 25 не оказывают влияния на работу силовых транзисторных ключей 1 и 2.

В момент времени to потенциал на коллекторе силового транзистора 1 начинает

О понижаться, а управляемый ключевой элемент 10 открыт, то но цепи: n;iюсовой вывод источника 5 постоянного тока, левая полуобмотка первичной обмотки 3 выходного трансформатора 4, переход коллектор-

эмиттер силового транзисторного ключа 1, общая шина инвертора, минусовой вывод источника 5 постоянного тока, начинает протекать ток. Так как между коллекторами силовых транзисторных ключей 1 и 2 появилась разность потенциалов, то по

0 цепи: ключевой элемент 10 балластный резистор 9, первичная об.мотка 11 переключающего трансформатора 12, также начинает протекать ток. На вторичной обмотке 13 трансформатора 12 наводится ЭДС, способствующая открыванию силового транзисторного ключа 1, а на вторичной обмотке 4 - ЭДС, способствующая запиранию транзистора 2. Открываюнлая ЭДС enie более приоткрывает силовой транзисторный ключ 1.

Q Процесс открывания транзистора развивается лавинообразно из-за наличия цепи 8 положительной обратной связи (фиг. 2г, в момент времени to). Во вторичной обмотке 6 трансформатора 4 наводится ЭДС, благодаря которой энергия источника 5 постоян5 ного тока передается в нагрузку 7 (фиг. 2е) интервал времени to-ti). Процесс передачи энергии в нагрузку 7 происходит до тех пор, пока генератор 17 не сформирует запирающий и.мпульс напряжения для ключевого элемента 10 на вторичной обмот1 се

19 трансформатора 18 и отпирающий импульс напряжения на обмотке 20 для блока 23 принудительного активного запирания, ноступающие на ei O вход 22 синхронизации.

В момент времени t ключевой элемент 10 закрывается (фиг. 2в), разрывая тем самым день 8 положительной обратной связи. Ток в первичной обмотке 1 i трансформатора 12 уменьп ается практически до нуля. Во вторичной обмотке 13 наводится ЭДС

0 самоиндукции, способствуюпшя запиранию силового транзистора 1, а во вторичной обмотке 14 -- ЭДС самоиндукции, способствующая открыванию силового транзисторного ключа 2. Одновре.менно с этим на управ.ляющих выходах 24 и 25 блока 23

5 принудительного активного запирания появляются напряжения, прикладываемые к переходу база - эмиттер силовых транзисторных ключей 1 и 2, полярность которого снособ5

ствует принудительному закрыванию силовых транзисторов 1 и 2. Величина запирающего напряжения больше величины ЭДС, способствующей открыванию силового транзисторного ключа 2.

Силовой транзистор 1 закрывается за счет активного закрывания, а силовой транзистор 2 остается в закрытом состоянии (фиг. 2 г и д, интервал времени ti-12). При этом потенциал на коллекторе силового транзистора 1 устанавливается равным сумме потенциалов источника 5 постоянного тока и ЭДС самоиндукции первичной обмотки 3 силового трансформатора 4, а потенциал на коллекторе силового транзистора 2 - разности потенциалов источника 5 постоянного тока и указанной ЭДС самоиндукции. При протекании тока по первичной обмотке 3 силового трансформатора 4 в его магнитопроводе накапливается энергия. Запасенной энергии в магнитопроводе силового трансформатора 4 должно быть достаточно, чтобы поддерживать практически неизменной ЭДС самоиндукции в течение времени ti - (2. Это является первым необходимым условием устойчивой работы инвертора.

Накопленную в магнитопроводе силового импульсного трансформатора энергию можно суцдественно увеличить за счет регулируемого немагнитного зазора в .магнитопроводе, поэтому предлагаемый .магнито- провод силового импульсного трансфор.ма- тора выполняется с зазором, который можно регулировать. Таким образом, формируется пауза на нуле и исключается режим сквозных токов силовых транзисторных ключей 1 и 2.

В момент времени (2, после окончания действия запирающего импульса напряжения генератора 17 ключевой элемент 10 открывается, а состояние управляющих выходов 24 и 25 блока 23 принудительного активного запирания таково, что не оказывает влияния на работу силовых транзисторов 1 и 2. Так как между коллекторами силовых транзисторов 1 и 2 существует разность потенциалов, приблизительно равная удвоенному значению ЭДС самоиндукции первичной обмотки 3 трансформатора 4, то по цепи: коллектор силового транзисторного ключа 1 (левая полуобмотка 3 трансформатора 4), первичная обмотка 11 трансформатора 12, балластный резистор 9, ключевой элемент 10, коллектор силового транзистора 2, начинает протекать ток.

Во вторичных обмотках 13 и 14 трансформатора 12 наводится ЭДС, способствующая закрыванию силового транзистора 1 и открыванию силового транистора 2. Так как цепь 8 положительной обратной связи замкнута, то процесс развивается лавинообразно и силовой транзистор 2 входит в режим насыщения (фиг. 2 д, момент

времени to). Силовой транзистор 1 остается в закрытом состоянии, а потенциал на его коллекторе увеличивается до величины, равной удвоенному значению напря- с жения источника 5 постоянного тока (фиг. 2 г) и по цепи: плюсовой вывод источника 5 постоянно1 о тока, правая полуобмотка первичной обмотки 3 трансформатора 4, переход коллектор - эмиттер силового транзистора 2, общая щина инвер 0 тора, минусовый вывод источника 5 постоянного тока, начинает протекать ток. Во вторичной обмотке 6 трансформатора 4 наводится ЭДС (фиг. 2 е), момент времени t2-ta) и энергия источника 5 постоянного тока передается в нагрузку 7, что продолжается до момента времени 1з, когда генератор 17 снова формирует запирающий импульс для ключевого элемента 10 и открывающий для блока 23 принудительного активного закрывания. Далее процессы повторя0 юте я.

Для того, чтобы параметры переключающего трансформатора 12 не оказывали влияния на процесс переключе1П1Я силовых транзисторных ключей 1 и 2, необходимо, чтобы он работал в линейном ре5 жиме. Для этого трансформатор 12 выполняют так. чтобы в течение каждого рабочего полупериода, даже при максимальной длительности этого нолупериода, приращение индукции в магнитопроводе переключающего трансформатора 12 было намного меньп1е его индукции насыщения. В этом случае он будет всегда на частоте переключения инвертора работать в линейном режи.ме. Это второе необходимое условие для нормальной работы предлагаемого инвертора.

Предлагаемый транзисторный инвертор по сравнению с известным полностью устраняет коммутационные перегрузки силовых транзисторных ключей, обеспечивает возможность задания частоты переключения ин0 вертора, не зависящей от разброса параметров элементов инвертора. Кроме того, обеспечивает одинаковую длительность обоих полупериодов, т. е. устраняет подмагни- чивание силового импульсного трансформатора и обеспечивает быстрое закрывание

0

5

СИЛОВОГО транзисторного ключа путем его

активного запирания, что способствует существенному у.меньп1ению динамических потерь. Вследствие этого повышается надежность работы отдельных элементов и инвер- „ тора в целом.

Формула изобретения

Преобразователь постоянного напряже- 5 ния, содержащий инверторную ячейку с выходным трансформатором, первичная обмотка которого вь полне})а со средней точкой для подключения вывода питания, вторичная обмотка подсоединена к выходным выводам, переключающий трансформатор, первая обмотка которого через управляемый ключевой элемент соединена с одной из обмоток выходного трансформатора, а вторая обмотка через базовые резисторы подключена к входам силовых транзисторов инвер- торной ячейки, при этом управляющий вход управляемого ключевого элемента подсоединен к дополнительной обмотке трансформатора, отличающийсятем, что, с целью, повышения надежности путем устранения коммутационных перегрузок силовых трансформаторов, уменьшения динамических поto It; t

I ,

I.

jL.K:zq.

терь и повышения стабильности частоты, введен синхронизирующий генератор,вторичная оботка трансформатора которого подключена к входу введенного блока принудительного запирания, выход которого подсоединен к входам силовых транзисторов, а дополнительная обмотка расположена на трансформаторе синхронизирующего генератора, причем выходной трансформатор выполнен с регулируемым немагнитным зазором, а переключающий трансформатор выполнен так, чтобы приращение индукции в его магнитопроводе было меньше его индукции насышения.

Изобретение позволяет повысить надежность преобразователя постоянного напряжения путем устранения коммутационных перегрузок силовых трансформаторов, уменьшения динамических потерь и повышения стабильности частоты. Это достигается введением в преобразователь синхронизирующего генератора 17, связанного с входом блока 23 принудительного запирания, выход которого соединен с входом силовых транзисторов. В момент коммутации силовых транзисторов на управляю- ших выходах 24 и 25 блока принудительного запирания появляется напряжение под действием импульса с генератора 17. Это напряжение способствует закрыванию силовых транзисторов 1 и 2. В первичной обмотке 3 силового трансформатора протекает ток и в его магнитопроводе накапливается энергия, достаточная -для поддержания неизменной ЭДС самоиндукции в течение времени коммутации. 2 ил. (Л ю о со О5 а оо Сйиг/