Высоковольтный высокочастотный преобразователь напряжения Советский патент 1988 года по МПК H02M3/335 

(Л

П

СП

со

О)

Изобретение относится к электротехнике, а именно к преобразователям напряжения. Цель изобретения - повышение качества выходного напряжения за счет уменьшения нестабильности выходного напряжения в широком диапазоне изменения тока нагрузки. Преобразователь напряжения построен по двухтактной схеме с фиксированным уровнем переключения трашзисторюв. Уровень переключения транзисторов 4 и 5 преобразователя пропорционален величине входного напряжения и формируется с помощью делителей напряжения 6, 7, резисторов 12, 13, 21 и двух компараторов 14 и 15. Выбором уровня переключения порогового устройства 19 изменяется коэффициент передачи одного из делителей, что позволяет изменить траекторию переключения транзисторов 4 и 5 преобразователя, за счет чего уменьшается выходное напряжение при малых токах нагрузки. 4 ил. Q 9

Фиг.1

1Ч

Изобретение относится к преобразо нательной технике, может быть использовано при разработке высоковол15тных источников электропитания и является усопер иенствованием преобразователя по авт. ев. № 1153384.

Цель изобретения - повышение качества выхо/шого напряжения за счет уменьшения нестабильности выходного напряжения в широком диапазоне изменения тока нагрузки.

На фиг. 1 приведена структурная схема высоковольтного высокочастотного преобразователя напряжения; на фиг. 2 - 4 - диаграммы напряжения и тока в различных точках схемы для двух режимов работы высоковольтного высокочастотного преобразователя напряжения, а также его выходная характеристика .

Высоковольтный высокочастотный преобразователь напряжения содержит фор мировател1 1 импульсов, первьй логи- чески11 элемент И 2, второй логически элемент И 3, первый транзистор 4, втрой транзистор 5, первый делитель 6 напряжения, второй де:п1тель 7 напряжения, конденсатор 8, первый диод 9, трансформатор 1U, второй диод 11, пе вый резистор 12, второй резистор 13, первый компаратор 14, второй компаратор 15, выпрямитель 16, емкостной филг)Тр 17, датчик 18 тока, пороговое устройство 19, ключ 20.

Прямой выход формирователя 1 им- пу. п.сов соединен с первым входом второго элемента И 3. Выход первого элемента 1 2 соединен с базой первого транзи- стора 4, а выход второго элемента И 3 соединен с базой второго транзистора 5. Эмиттеры первого 4 и второго 5 транзисторов объединены и сое- дш{ены с первыми входами первого 6 и нгорого 7 делителей напряжения, с первым выводом конденсатора 8 и подключены к общему входному выводу. Коллектор первого транзистора 4 соединен с вторым входом первого делителя 6 напряжения, с анодом первого диода 9 и с началом первичной обмот- си трансформатора 10. Коллектор второго транзисто1)а 5 соедю1ен с вторым входом второго делителя 7 напряжения с анодом второго диода 11 и концом первичной обмотки трансформатора. Катоды первого 9 и второго 1 1 диодов объсдгачен, и через первьи резистор 12 подключены к второму выводу кон

10

15

20

25

30

5

0

5

0

5

денсатора В, 1:ервому выводу второго резистора 13 и инвертир тощим входам первого 14 и второго 15 компараторов. Не инвертирующий вход первого компаратора 14 подключен к выходу второго делителя 7 напряжения. Неинвертирую- И1ИЙ вход второго компаратора 15 подключен к выходу первого делителя 6 напряжения. Выход первого компаратора 14 соединен с вторым входом первого элемента И 2, а выход второго компаратора 15 соединен с вторым входом второго элемента И 3. Вторичная обмотка трансформатора 10 через выпрямитель 16 и емкостной фильтр 17 соединена с выводами для подключения нагрузки. Входа датчика 18 тока включены между средней точкой первичной обмотки трансформатора 10 и входным выводом. Выход датчика 18 тока через пороговое устройство 19 подключен к входу ключа 20. Выход ключа шунтирует часть второго резистора 21, установленного между общим выводом и объединенными инвертирующими входами компараторов 14 и 15.

Преобразователь работает следующим образом.

Формирователь 1 импульсов обес-- печивает на своих выходах два пара- фазных сигнала прямоугольной формы со скважностью 2 (фиг. 2 диаграммы 22 и 23). На выходе первого элемента И 2 формируется импульсы управления первым транзистором 4 (фиг. 2,диаграмма 24). Причем момент запирания транзистора совпадает с фронтом импульса формирователя импульсов, а момент отпирания транзистора задержан относительно фронта импульса формирователя импульсов. Диаграмма 25 напряжения на коллекторе первого транзистора 4 приведена на фиг. 2. Диаграммы 24 и 25 (фиг. 2) приведены без учета времени рассаслзшания неосновных носителей и времени восстановления диодов выпрямителя 16, так как это не влияет на качествен- Ш.Ш характер протекающих процессов. На втором элементе И 3 и на втором транзисторе 5 эпюры напряжешш имеют аналогичн то 4юрму, но сдвинуты на 180 относительно диаграмм 24 и 25 (фиг. 2).

Отпирание первого транзистора 4 происходит при наличии уровня логи- ческо1 1 единицы на nf.ix( ;ie первого эле- И 2, китсн- ь:: .чг является при

наличии двух логических единиц на входе. Уровень логической единицы на выходе компаратора появляется, если сигнал на неинвертирующем входе пре- вышает сигнал на инвертирующем входе Эпюры напряжений на входе первого компаратора 14 приведены на диаграмме 26 (фиг. 2). На инвертирующий вхо обоих компараторов 14 и 15 подается пороговое напряжение через делитель напряжения на первом 12 и втором 13 {юзисторах, фильтрующий конденсатор

8и двухтактный выпрямитель на первом

9и втором 11 диодах, которое пропор ционально двойной величине входного напряжения. На неинвертирующий вход первого компаратора 14 подается измеряемое напряжение с коллектора второго транзистора 5 через второй дели- тель 7 напряжения, а на неинвертирую- щкй вход второго компаратора 15 подается измеряемое напряжение с коллектора первого транзистора 4 через первый делитель 6 напряжения. Таким образом момент переключения компараторов определяется характером процессов на коллекторах транзисторов преобразователя напряжения.

Рассмотрим эпюру напряжения на

коллекторе первого транзистора, приведенную на диаграмме 25 (фиг. 2). На этапе I первьй транзистор открыт, а второй закрыт и энергия передается с входа в нагрузку. На этапе II оба транзистора закрыты и закрыты диоды выходного вьшрямителя, которые отключают нагрузку и емкостной фильтр от вторичной обмотки трансформатора. Высоковольный трансформатор характери- зуется большой величиной емкости вторичной обмотки, приведенной к первичной обмотке. На этом этапе происходит перезаряд емкости вторичной обмотки fpaнcфopмaтopa его током намагничи- вания. На этапе Ш открывается второй транзистор и происходит заряд емкости вторичной обмотки трансформатора, которая отключена от нагрузки выход- Hbw выпрямителем, так как имеет мень- шее напряжение, чем емкость выходного фильтра. На этапе IV транзистор второй откр)ыт, а первый закрыт и энергия с входа передается в нагрузку. Этапы работы V и VI соответствуют этапам работы П и ni. Далее все этапы повторяются. Эпюра тока через коллекторы первого и второго транзисторов приведена на диаграмме 27 (фиг. 2).

5 0 5

0

Q 5 g

5

Оптимальная форма тока через транзисторы, позволяющая получить максимальное значение КПД при минимальном уровне пульсаций выходного напряжения, достигается, если включение транзистора происходит при напряжении на нем (0,4-0,8), а длительность паузы в токе составляет (5-15)% от длительности периода. Данньм режим переключения транзисторов выставляется при номинальном режиме нагрузки. При этом пороговый уровень порогового устройства 19 выбирается так, чтобы при номинальном входном токе через датчик 18 тока ключ 20 был открыт, а часть второго резистора 13 закорочена. Первым 12 и вторым 13 резистора - ми выставляется требуемьй уровень переключения транзисторов. Эпюры напряжения для этого режима на первом транзисторе и первом компараторе приведены на диаграммах 25 и 26 (фиг. 2) соответственно. На втором транзисторе и втором компараторе эпюры аналогичны и сдвинуты на 180 .

При изменении тока нагрузки напряжение на выходе изменяется. Выходная характеристика преобразователя напряжения приведена на фиг. 4 (пунктирная линия для известного преобразователя, сплошная линия - для предлагаемого). Увеличение выходного напряжения при малых токах нагрузки обус- ло злено тем, что выбранный режим коммутации транзисторов преобразователя обеспечивает подключение емкостного фильтра чер)ез выпрямитель к вторичной обмотке при ненулевых начальных условиях тока через индуктивность рассеивания вторичной обмотки трансформатора. На диаграмме 27 (фиг. 2) ток через транзисторы на Ш и VI этапах является током через индуктивность рассеивания вторичной обмотки трансформатора. Ток через транзисто- в конце Ш и VI этапов является начальным значением тока заряда емкостного фильтра. Поэтому индуктивность рассеяния вторичной обмотки трансформатора является источником тока заряда емкостного фильтра. Скорость разряда емкостного фильтра при , малых токах нагрузки мала. Следовательно, выходное напряжение преобразователя напряжения тем ниже, чем ниже скорость заряда емкостного фильтра, т.е. необходшю при малых токах нагрузки 1еньшать начальное

значение тока заряда емкостного фильтра.

В предлагаемом преобразователе пр уменьшении тока нагрузки сигнал на выходе датчика тока уменьшается, что приводит к срабатыванию порогового устройства и запиранию ключа. С помощью части резистора 13 момент переключения транзисторов выставляется таким образом, чтобы включение транзистора происходило при практически нулевом напряжении на нем. Эпюры напряжения на первом транзисторе и первом компараторе приведены на диаграммах 28 и 29 (фиг. 3) соответственно. В этом режиме длительность Ш и VI этапов сведена к нулю за счет увеличения длительности II и V этапов. Ток через транзисторы преобразовате- ля в этом режиме приведен в диаграмме 30 (фиг. 3). Его величина в начале I и IV этапов значительно меньше, чем при номинальной нагрузке и приближенно равна току холостого хода транс- форматора в данный момент времени. В связи с тем, что при изменении режима коммутации транзисторов преобразователя напряжения снижается ток заряда емкостного фильтра, уменьшается выходное напряжение. Сплошной линией (фиг. 4) приведена выходная характеристика предлагаемого преобразовате

О.

0

0 5

0

ля. Момент изменения режима коммутации транзисторов преобразователя выбирается, как правило, при токе (0,1- 0,2) 1,0.

Таким образом, предлагаемый высоковольтный высокочастотный преобразователь напряжения обладает улучшенной выходной характеристикой за счет уменьшения выходного напряжения при малых токах нагрузки.

Формула изобретения

Высоковольтный высокочастотный прв образователь напряжения по авт. св. № 1153384, отличающийся тем, что, с целью повьшения качества выходного напряжения за счет уменьшения нестабильности выходного напряжения в широком диапазоне изменения тока нагрузки, введены пороговый элемент, ключ и датчик тока, включенный между входным выводом и отводом от средней точки первичной обмотки выходного трансформатора, причем выход датчика тока через пороговый элемент подключен к входу управления ключа, выход которого шунтирует часть резистора, установленного между общим выводом и объединенными инвертирующими входами компараторов.

23

гь

(вых.

30

Фиг 3

гМ

1н