Преобразователь постоянного напряжения в постоянное Советский патент 1988 года по МПК H02M3/335 

со

О)

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания систем радиотехники автоматики и вычислительной техники.

Целью изобретения является повышение надежности путем упрощения схемы преобразователя.

На фиг.1 изображена электрическа1 система преобразователя постоянного напряжения в постоянное двуполярное; на фиг.2 - преобразователь (параллельно с одним из диодов установлен вспомогательный управляемый ключ); на фиГоЗ - трансформатор (содержит вспомогательную обработку и последовательно с вспомогательным ключом установлена первичная обмотка дополнительно введенного индуктивного элемента); на фиг.4 - преобразователь (дополнительно содержит задающий генератор, формирователь сигнала управления регулирующего ключа, усилитель обратной связи с резистивным делителем и источником опорного напряжения, а также токозадающий двухполюсных, хронирующий конденсатор, фиксируюище диоды и компаратор с согласующей цепью).

Преобразователь постоянного напряжения в постоянное двухполярное состоит из регулирующего ключа в виде двухполярного п-р-п-транзистора 1, трансформатора 2 с первичной 3, второй 4, третьей 5, четвертой 6 и пятой 7 обмотками, первого 8 и второго 9 разделительных конденсаторов, первого 10 и второго II диодов, конденсаторов 12 и 13 фильтра, подключенных к выходным выводам, вспомогательного управляемого ключа 14 в видр биполярного п-р-п-транзистора, обратного диода 15, индуктивного элемента 16, с первичной 17 и вторичной 18 обмотками, блокирующего диода 19, резистора 20 в цепи базы вспомогательного управляемого ключа 14, а также задающего генератора 21, формирователя 22 сигнала управления регулирующего ключа, согласующей цепи 23, компаратора 24, усилителя 25 обратной связи, источника 26 опорного напряжения, резистивного делителя (27,28) напряжения, токо- задающего двухполюсника в виде резис тора 29, хронирующего конденсатора 30, фиксирующих диодов 31 и 32 и разрядного резистора 33

Работа преобразователя напряжения (фиг.1) в установившемся режиме при непрерывном изменении магнитного потока в сердечнике трансформатора 2 и равенстве витков обмоток 4-6 сводится к следующему

Во включенном состоянии регулирующего ключа I на всех обмотках трансформатора возникает ЭДС самоиндук- . ции с положительным потенциалом на началах соответствующих обмоток относительно их концов. Поскольку разделительные конденсаторы 8 и 9 в уста- новившемся режиме работы заряжены с полярностью, указанной на фиг,1, то включение регулирующего ключа 1 приводит к запиранию диодов 10 и По На этом интервале работы ток нагрузки протекает через обмотку 6 в направлении от конца к началу обмотки, разделительный конденсатор 9 (от отрицательной обкладки к положительной) и обмотку 4, а ток нагрузки другой полярности замыкается через обмотку 5, разделительный конденсатор 8 в направлении от отрицательной обкладки к положительной и обмотку 6 (от начала к концу)о

В каждом из рассмотренных контуров протекания токов напряжения на обмотке 6 направлено встречно напряжению на обмотках 4 и 5, а ток обмотки 6 равен разности токов в

обмотках 4 и 5. Основным поставщиком энергии в нагрузке на указанном этапе работы являются соответствующие разделительные конденсаторы и конденсаторы фильтра.

Разряд конденсаторов определяет наличие пульсаций выходного напряжения. Однако учет неидеальности трансформатора, обусловленной наличием потоков рассеяния между обмотками 4 6 и выбор соответствующих коэффициентов связи между обмотками, позволяет практически свести к нулю пульсации напряжения на нагрузке После выключения регулирующего ключа 1

полярности ЭДС на всех обмотках транзистора изменяются на противоположные, что приводит к отпиранию диодов 10 и По

При этом энергия, запасенная в магнитном поле сердечника трансформатора на предыдущем этапе работы, вызывает появление токов намагничивания в обмотках 4-6, протекакщих

313

во всех обмотках в одном и том же направлении - от начала обмотки к концу. Ток обмотки 4, замыкаясь через нагрузку и диод 10, обеспечивает передачу энергии в нагрузку и заряд конденсатора 12 фильтра, ток обмотки 6, замыкаясь через диод 11 и нагрузку, обеспечивает передачу энергии в нагрузку и заряд конденсатора 13 фильтра Одновременно ток обмотки 6, замыкаясь через диод 10 и разделительный конденсатор 9, восполняет потери энергии в указанном конденсаторе на предьщущем этапе работы, Аналогично этому ток обмотки 5, замыкаясь через диод 11 и конденсатор 8, восполняет потери энергии в последнем,

Определим регулировочную характе- ристику предлагаемого преобразователя в предположении идеальности всех элементов и равенстве витков обмоток 4-6 трансформатора. Обозначим через п отношение чисел витков указан- ных обмоток к числу витков первичной обмотки и предположим преобразователь идеальным Тогда на каждой из обмоток во время проводящего состояния регу- лиругацего ключа действует напряжение, равное по величине пЕ, где Е - напряжение входного источника

Когда регулирующий ключ разомкнут. напряжения на обмотках имеют противоположную полярность и равны по абсолютной величине следующим величинам: и,Ц„ , где U,- - напряжение на элементе i. Поскольку напряжения на всех обмотка;х равны вследствие равенства числа витков, а U,j и и соответственно определяют абсолютные значения напряжений на нагрузках, то для определения регулировочной характеристики достаточно найти значение среднего напря жения на любом из разделительных конденсаторов Это можно сделать, приравняв вольтсекундные площади на любой из обмоток на этапах включенного и выключенного состояния регули рующего ключа 1 Если обозначить через V относительную к периоду Т переключения длительность проводящего состояния ключа 1, то получаем

(1-у), ,(l-r),

где и, .- сравнение напряжения на конденсаторах 12 и 13

5

0 5 о

0 5 g

5

5

Полярности найденных напряжений противоположны относительно общего выходного вывода,

Рассмотренньш режим работы и найденные регулировочные характеристики справедливы при непрерывном изменении магнитного потока в сердечнике трансформатора 2, При х,олостом ходе преобразователь, представленный на , не работоспособен

Для обеспечения работоспособности при малых токах нагрузки в преобразователе, изображенном на фиг,2, параллельно диоду 11 установлен вспомогательный, управляемый ключ 14 и встречно-параллельно ключу 1 включен обратный диод 15 При этом ключи 1 и 14 управляются синхронно ипроти- вофазно. так, что-во включенном состоянии ключа 1 вспомогательный ключ 14 выключен и наоборот

Тогда при нулевых токах и в нагрузках в первую половину промежутка времени у Т ток в первичной обмотке 3 трансформатора 2 имеет отрицательное направление (вытекает из начала обмотки) и замыкается через обратный диод 15, а во вторую половину - через регулирующий ключ 1

В выключенном состоянии ключа 1 ток в обмотке 5 в первую половину промежутка времени (1-г)Т имеет положительное направление (втекает в начало обмотки) и замыкается через диод 11, а во вторую половину - через включенный вспомогательньй ключ 14 При этом обеспечивается режим непрерывного изменения магнитного потока в сердечнике трансформатора 2, который перемагничивается по симметричному частному циклу. Средние значения напряжений на конденсатог pax в этом случае определяются так же, как при 1 аботе в нормальном режиме

Для управления вспомогат.ельным ключом 14 преобразователь, приведенный на фиг,3, имеет пятую обмотку 7, которая через последовательно- включенный с ней ограничивающий резистор 20 подключена к управляющему входу ключа

Фазировка подключения обмотки 7 выбрана такой, что во включенном состоянии регулирующего ключа 1 ключ 14 автоматически находится в выключенном состоянии. При каждом очередном, включении регулирующего ключа 1

ключ 14 находится в проводящем состоянии и запирание его осуществляется только после включения ключа 1, Вследствие инерционности ключа 14 через него в момент включения регулирующего ключа 1 . могут протекать неконтролируемо большие токи, Дпя их ограничения в преобразователе(фиг,3) последовательно с ключом 14 включена первичная обмотка 17 индуктивного элемента 16, ограничивающая рост тока в момент переключения. После выключения ключа 14 накопленная в сердечнике магнитного элемента 16 энер- гия рекуперируется в конденсатор 9 по обмотке 18 через открывающийся, блокирующий диод 19,

Для стабилизации выходных напряжний преобразователь, представленный на фиГо4, дополнительно содержит элементы, обеспечивающие работу в режиме широтно-импульсного регулирования при постоянной частоте коммутации „ Принцип его работы состоит в следующем. Если на выходе формирователя 22 установлен низкий потенциал, то регулирующий ключ I выключен, а диоды 10 и 11 находятся в проводящем состоянии. Если за нулевой принять потенциал конца обмотки 5, то на начале этой обмотки, связанном с разрядным резистором 33 действует отрицательное напряжение, равное по величине пЕ(1-у), а в точке соединения токозадающего резистора 29 и диода 10 такое же по величине, но положительное напряжение. Если сопротивления резисторов 33 и 29 выбраны так, что ток, протекающий по первому из них, больше тока, протекающего по второму, то открывается фиксирующий диод 32, через который замыкается разность указанных токов. При этом напряжение на хронирующем конденсато- ре 30 равно нулю, а компаратор 24 должен находиться в таком состоянии, чтобы отсутствовал сигнал, воздействующий на второй вход формирователя 22 Работа вспомогательного ключа 14 осу- ществляется так, как это описано. При возникновении управляющего сигнала на выходе задающего генератора 21 формирователь 22 переводится в состояние, при котором регулирующий ключ 1 включается, что приводит к изменению полярности напряжения на всех обмотках трансформатора 2, Изменение полярности на обмотке 5 приводит к запиранию диодов 31 и 32 схемы фиксации, и хронирующий конденсатор 30 заряжается через резистор 29, Когда напряжение на конденсаторе 30 равно выходному напряжению усилителя 25 обратной связи, установленному на первом входе компаратора

24,на выходе последнего формируется сигнал, который через согласующую цепь воздействует на второй

вход формирователя 22 и переводит ег в состояние, при котором регулирующий ключ 1 выключается.

Будем считать, что изменение напряжения на хронирующем конденсаторе 30 существенно меньше напряжения, действующего в зарядной цепи. Это последнее определяется суммой напряжений на конденсаторах 8 и 9 и напряжением на обмотке 5, Поскольку напряжения на конденсаторах равны, а напряжение на обмотке 5 равно пЕ, то ток заряда конденсатора 30 можно определить выражением Ic(nE+2Uf n )/R25 где R23 - сопротивление резистора 29 Поэтому (nE+2U), где Ер- выходное напряжение усилителя

25,а С - емкость хронирующего конденсатора 30,

Если подставить найденное значение в выражение регулировочной характеристики, продифференцировать полученное соотношение по Е и приравнять производную нулю, получим соотношение, которое необходимо учитывать при реализации схемы управления 2и„п E(,CR29/To При этом цепь, состоящая из токозадающего двухполюсника и хронирующего конденсатора, обеспечивает стабилизацию выходных напряжений при изменениях входного напряжения и непосредственно реагирует на изменения последнего, а усилитель обратной связи осуществляет обработку относительно небольших изменений выходных напряжений, обусловленных изменением токов нагрузок и параметров, входящих в приведенные вьш1е соотношения о

Таким образом, предлагаемьй преобразователь имеет лишь три обмотки на вторичной стороне, следствием чего является упрощение преобразователя и увеличение коэффициента полезного действия, так как уменьшается количество обмоток, обтекаемых током, а на первом этапе работы при

равных токах нагрузки ток is обмотке 6 равен нулю.

Формула изобретения

1.Преобразователь постоянного напряжения в постоянное, содержащий трансформатор, первичная обмотка которого включена последовательно с регулирующим ключом между входными выводами, вторая и третья обмотки трансформатора присоединены первыми выводами к крайним выходным выводам, соединенным между собой через два конденсатора фильтра, общая точка которых подключена к среднему выходному выводу, присоединенному к первым выводам первого диода и четверто обмотке трансформатора, второй вывод которого соединен через и ер вый разделительный конденсатор с вторым выводом третьей обмотки, второй разделительный конденсатор, подключенный первым выводом ко второму выводу первого диода, второй диод и блок управления, отличающийся тем, что,с целью повышения надежности путем упрощения схемы преобразователя, -второй вывод второго разделитель ного конденсатора подключен к второму выводу второй обмотки, а второй диод включен между первым и вторым выводами соответственно третьей и четвертой обмоток,

2.Преобразователь по п,, о т - личающийся тем, что параллельно с одним из диодов установлен вспомогательный управляемый ключ с цепями управления, обеспечивающими

его синхронно-противофазную работу с регулирующим ключом, встречно-параллельно которому включен обратный диод. -

.-

5

1015 й20 3035

до

45

25

Зо Преобразователь по п.2, о т - личающийся тем, что цепи управления выполнены в виде пятой обмотки трансформатора, подключенной через резистор к управляющему входу вспомогательного управляемого ключа, последовательно в силовую цепь которого включена первичная, обмотка введенного индуктивного элемента, вторичная обмотка которого через блокирующий диод подключена к выводам одного из разделительных конденсаторов,

4с, Преобразователь по ппо1 - 3, о тличающийся тем, что блок управления состоит из задающего генератора, выход которого подключен к первому входу формирователя сигнала управления, выход которого присоединен к управляющему входу регулирующего ключа, а второй вход соединен через согласующую цепь с выходом компаратора, первый вход которого подключен к выходу усилителя обратной связи, а второй вход - к точке соединения хронирующего конденсатора, шунтированного цепью из двух фиксирующих диодов, включенных встречно- последовательно, и токостабилизирующего двухполюсника, второй вывод которого подсоединен к первому выводу второго разделительного конденсатора, резистивного делителя напряжения, включенного между крайними выходными выводами, средняя точка которого подключена к первому входу усилителя обратной связи, второй вход которого присоединен к источнику опорного напряжения, при этом второй вывод хронирующего конденсатора подключен к первому выводу третьей обмотки трансформатор, а средняя точка цепи из двух фиксирующих диодов соединена через разрядный резистор с вторым выводом третьей обмотки трансформатора.

Изобретение бтносится к электротехнике и может найти применение в устройствах электропитания. Цель - повышение надежности путем упрощения схемы преобразователя. Устройство содержит регулирующий ключ, включенный последовательно с первичной обмоткой трансформатора,и две ячейки Каждая из ячеек образована разделительным конденсатором и замкнутой цепью, состоящей из последовательно соединенных диода, вторичной обмотки трансформатора и нагрузки, шунтированной конденсатором фильтра. Дополнительная обмотка включена между точками соединения разделительного конденсатора с вторичной обмоткой второй ячейки и точкой соединения диода и нагрузки этой же ячейки. В данном решений уменьшено количество обмоток, обтекаемьрс током. 3 з.п. ф-лы, 4 ил. с « (Л

I

Ю

J

6

8

n

т 0

2s://

.;

3 -.

тП

tp as

tLi

ki/y. 2i//x

fn.

Й/г7

0tf2j

«а

-сэ

-Soryw

«

н

if

«Vi

у

Ж

ЕЯ

5)

.

10