Система стабильного электропитания Советский патент 1989 года по МПК G05F1/56 

to

15

20

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано полупроводниковых стабилизаторах импульсного действия, работающих при повышенных питающих напряжениях.

Цель изобретения - повьшение эксплуатационной надежности.

На чертеже показана функциональная схема системы стабильного электропитания с цепями формирования безопасной траектории переключения регулирующего транзистора.

Система содержит импульсный стабилизатор 1 напряжения, преобразователь 2 постоянного напряжения в переменное, являющийся нагрузкой для

стабилизатора 1 напряжения. Преобра-

зователь 2 состоит из силового трансорматора 3 с первичной 4 и вторичной 5 обмотками, причем последняя подключена к нагрузке 6,, транзисторов 7 и 8, включенных по полумостовой схеме и базами соединенных с выходами узла 9 управления. Импульсный стабилизатор 1 состоит из регулирующего элемента 10, широтно-импульсного модулятора 11, усилителя 12 постоянного тока, блока 13 сравнения, силового фильтра 14, включающего блокирующий диод 15, коммутирующий диод 16, конденсаторы 17 и 18, силовой дроссель 19 с первичной 20 и вторичной 21 об- мотками, находящимися на внутреннем керне силового дросселя 19 силового фильтра 14, и цепей формирования безо- пасной траектории переключения ре- гулирующего транзистора 10, состоя- щих из последовательно соединенных демпфирующего 22 и коммутирующего 23

диодов, включенных в стречно, и резис- тора 24, шунтирующего кo fмyтиpyющий диод 23, а также дополнительного двух- обмоточного дросселя 25, находящегося на внешнем керне силового дросселя 19, вторичная обмотка 26 которого шунтирована сбросовой цепью из диода 27 и резистора 28, соединенных последовательно.

Одна шина первичного источника питания соединяется через первичную обмотку 29 дополнительного двухобмо- точного дросселя 25 с регулирующим .элементом 10 второй силовой вывод

25

30

35

40

50

o

5

20

ку 20 дросселя 19, причем блокирующий диод 15 одним электродом через параллельные цепочки из вторичной обмотки 26 дополнительного двухобмоточно- го дросселя 25 с числом витков, равным числу витков первичной обмотки 29, и последовательно соединенн.ых диода 27 и резистора 28 также соединен с этой шиной источника питания, а вторым электродом - с выходом емкостного делителя. Вторичная обмотка 21 силового дросселя 19, число витков которой выбирается в данном случае равным количеству витков первичной обмотки 20, через коммутирующий диод 16 подключена параллельно конденсатору 17, которьй вместе с конденсатором 18 вьтолняет функции фильтрации в силовом фильтре 14 и используется для создания емкостного делителя напряжения полумостовой схемь преобразователя 2.

Демпфирующая цепь 30 из демпфи- 5 рующего 22 и коммутирующего 23 диодов и резистора 24 подключена параллельно цепи. Состоящей из последовательно включенных регулирующего элемента 10 и вторичной обмотки 21 силового дросселя 19 силового фильтра 14. Транзисторы 7 и 8 преобразователя 2 подключены последовательно между собой и параллельно емкостному делителю и образуют полумостовой преобразователь, в диагональ которого включена первичная обмотка 4 силового трансформатора 3. Блок 13 сравнения,содер- жашдй источник опорного напряжения, подключен к входу преобразователя 2, выход блока 13 сравнения подключен через усилитель 12 к входу широтно- импульсного модулятора ( ЖМ) 11, выход которого подключен к управляющему входу регулирующего транзистора 10.

Система работает следующим образом.

Блок 13 сравнения в зависимости от возмущающего воздействия (изменения выходного напряжения стабилизатора 1, сопротивления гальванически развязанной нагрузки 6, параметров элементов стабилизатора 1 и преобразователя 2) изменяет через усилитель 12 коэффициент заполнения 111ИМ 11 таким образом.

30

35

40

50

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в полупроводниковых стабилизаторах импульсного действия, работающих при повышенных питающих напряжениях. Цель изобретения - повышение эксплуатационной надежности. Цель достигается благодаря введению цепей формирования безопасной траектории переключения регулирующего элемента (РЭ) 10. Эти цепи включают демпфирующий 22 и коммутирующий 23 диоды, резистор 24, а также дополнительный двухобмоточный дроссель 25, вторичная обмотка которого шунтирована последовательно соединенными диодом 27 и резистором 28. Дроссель 25 и демпфирующая цепь 30 обеспечивают индуктивную реакцию при включении и емкостную при выключении РЭ 10, что значительно уменьшает потери на нем, повышает устойчивость к вторичному пробою, за счет чего и повышается эксплуатационная надежность. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

которого имеет общую точку соединения счтобы сохранить напряжение на преобс конденсатором 17 силового фильтра 14разователе 2 прежним (до возмущающеи преобразователем 2. Другая шинаго воздействия), т.е. установленной

источника питания подключена к преоб- .величины (пренебрегаем статической

разователю 2 через первичную обмот-ошибкой).

При квазиустановившемся режиме регулирующий элемент 10 переключается с постоянным коэффициентом заполнения, но при отсутствии цепей формирования безопасной траектории переключения регулирунлчего элемента 10, т.е. без диодов 22, 23, 27, резисторов 24, 28 и обмоток 26, 29 дополнительного дв тсобмоточного дросселя 25.

При замкнутом состоянии регулирующего элемента 10 энергия от первичного источника питания поступает через регулирующий элемент 10 и первичную

обмотку 20 силового дросселя 19 в пре-15 неосновных носителей в области базы

образователь 2. При этом в интервале открытого состояния регулирующего элемента 10 ток в первичной обмотке 20 увеличивается от минимального значения (меньше среднего значения тока нагрузки). При токе в первичной обмотке 20 меньше среднего напряжение на конденсаторах 17 и 18 уменьшается, а при токе в первичной обмотке 20 больше среднего напряжение на конденсаторах 17 и 18 увеличивается. Номинальные значения напряжений конденсаторов 17 и 18 не превьш1ают заданной величины.

Напряжение на первичной 20 и вторичной 21 обмотках силового дросселя 19 при открытом состоянии регулирующего элемента Ю, по величине равные друг другу, определяются разностью напряжения первичного источника Uj, и выходного напряжения стабилизатора 1 УЙИХ Соответственно, напряжения, приложенные к закрытым блокирующему 15 и коммутирующему 16 диодам, также равны, и по величине определяются суммой половины напряжения на входе преобразователя 2 и напряжения на первичной обмотке 20 (вторичной 21) силового дросселя 19. При выключенном состоянии регулирующего элемента 10 напряжение на обмотках 20 и 21 силового дросселя 19 сменяет полярность на противоположную и накопленная энергия в силовом дросселе 19 отдается в преобразователь 2 через обмотки 20 и.21 и открытые блокирующий 15 и коммутирующий 16 диоды. Так как число витков обмоток 20 и 21 силового дросселя

блокирующего диода 15, ток в коллекторной цепи регулирующего элемента 1 О начинает нарастать при одновре менном убывании в цепи блокирующего 20 диода 15. Регулирующий элемент 10

на этом этапе работает в режиме свер токов под действием приложенного к н му напряжения, равного разности

и п - ,/2, которое при повьшенном 25 напряжении источника питания достига ет значительной величины.

I

Ток коллекторной цепи регулирующего транзистора 10, в частном слу- 30 чае, когда g./ Cg , может достигнуть очень больших величин, стре мясь к значению I б„ - ,кс, где f время жизни избыточных носителей в области базы диода; постоянная времени транзистора; Og постоянная времени нарастания базового тока тра зистора; ток базы насьщения.

35

В

- интегральное значение коэффиц

40

45

50

ента усиления транзистора при включе нии. В результате этого динамические потери при включении могут достигнут значительной величины, что вызовет локальньй перегрев р-п переходов регулирующего транзистора 10 и блокирующего диода 15.

На этапе выключения регулирующего элемента 10 после рассасывания из быточных носителей заряда в области базы происходит спад коллекторного тока при одновременном нарастании напряжения на регулирующем транзисторе 10. При этом величина динамических потерь при выключении всегда превышает потери включения. Кроме того,об-

19 равно, то энергия, отдаваемая ими, ,г ласть безопасной работы более низкоравна, равны и напряжения на конден- вольтных и быстродействующих транзисторов уже, чем у высоковольтных транзисторов, что может вызвать склонсаторах 17 и 18. При этом напряжение, приложенное к закрытому регулирующему элементу 10, определяется

ность к вторично п пробою регулирующеQ

34296

разностью первичного источника питания и половины напряжения на входе преобразователя 2.

При увеличении количества вторичных обмоток силового дросселя 19 напряжение, прикладываемое к закрытым силовым коммутирующим элементам, уменьшается. При этом преобразователь 2 может подключаться непосредственно к выводам для подключения нагрузки стабилизатора 1. На этапе включения регулирующего элемента 10, когда происходит рассасьшание

блокирующего диода 15, ток в коллекторной цепи регулирующего элемента 1 О начинает нарастать при одновременном убывании в цепи блокирующего диода 15. Регулирующий элемент 10

на этом этапе работает в режиме сверхтоков под действием приложенного к нему напряжения, равного разности

и п - ,/2, которое при повьшенном 25 напряжении источника питания достигает значительной величины.

I

Ток коллекторной цепи регулирующего транзистора 10, в частном слу- 30 чае, когда g./ Cg , может достигнуть очень больших величин, стремясь к значению I б„ - ,кс, где время жизни избыточных носителей в области базы диода; постоянная времени транзистора; Og постоянная времени нарастания базового тока транзистора; ток базы насьщения.

35

В

- интегральное значение коэффици40

45

50

ента усиления транзистора при включении. В результате этого динамические потери при включении могут достигнуть значительной величины, что вызовет локальньй перегрев р-п переходов регулирующего транзистора 10 и блокирующего диода 15.

На этапе выключения регулирующего элемента 10 после рассасывания избыточных носителей заряда в области базы происходит спад коллекторного тока при одновременном нарастании напряжения на регулирующем транзисторе 10. При этом величина динамических потерь при выключении всегда превышает потери включения. Кроме того,об-

ность к вторично п пробою регулирующего элемента 10. При коммутации регулирующего элемента 10 возникает высо- ;кий уровень помех, наводимых в сеть ; питания.

: Система при наличии цепей формирования безопасной траектории переключения регулирующего элемента 10 работает следующим образом.

Процесс переключения регулирующего |Q элемента 10 сопровождается довольно большими потерями, способными вьгоести его из строя, а также имеется высокий уровень помех, наводимых в сеть питаля 25 в какой-то степени компенсирует намагничивание магнитопровода силового дросселя 19 от первичной обмотки 20, так как эти обмотки магнито- связаны и включены встречно, что повышает эффективное значение индуктивности силового дросселя 19 силового фильтра 14.

Для сдвига фронтов тока и напряжения при выключении регулирующего элемента 10 используется высокоэффективная демпфирующая цепочка 30 из демпфирующего диода 22, коммутирующего

ния. Поэтому на этапе включения регу-jj диода 23 и резистора 24, которая, шун- пирующего элемента 10 дополнительный цвухобмоточный дроссель 25 ограничивает амплитуду коммутационного кол- пекторноГо тока регулирующего элементируя выходную цепь регулирующего элемента 10 на интервале спада коллекторного тока диодом 23, включенным в прямом направляенйи, позволяет снизить потери в регулирующем транзисторе в 15-20 раз, что повьш1ает устойчивость к вторичному пробою в сшучае, если время восстановления обратного сопротивления диода 22 равно или больше Бремени спада t. тока коллекгга 10 на уровне заданного

т lUд - УJмx/0 t pac,A

де L

доп

рас. А

индуктивность дополнительного двухобмоточного дрос- селя 25;

время рассасывания неоснов ных носителей в базе бло- кирующего диода 15, k снюкает уровень помех, генерируемых р сеть питания, эффективнее, чем дрос ,рель, установленный только в цепи регулирующего элемента 10 или только IB цепи блокирующего диода 15.

I -.

: Кроме того, обеспечивается сдвиг

I фронта тока регулирующего элемента 10 Относительно фронта напряжения на нем |что значительно уменьшает потери на регулирующем элементе 10 при включении. Величина индуктивности дополни- гтельного двухобмоточного дросселя 25 в четыре раза больше величины-индуктивности обмоток 26 и 29, так как при включении регулирующего элемента 10 они соединяются согласно последовательно. После восстановления обратного сопротивления блокирующего диода 15 ток проходит только по первичной обмотке 29 с индуктивностью, равной j.cn вторичная обмотка 26 сбрасывает накопленную за коммутационный период энергию через диод 27 на резистор 28. В остальном процессы в системе при включенном состоянии регулирующего элемента 10 аналогичны описанным, за исключением того, что первичная обмотка 29 дополнительного двухобмоточчого дроссе

ля 25 в какой-то степени компенсирует намагничивание магнитопровода силового дросселя 19 от первичной обмотки 20, так как эти обмотки магнито- связаны и включены встречно, что повышает эффективное значение индуктивности силового дросселя 19 силового фильтра 14.

Для сдвига фронтов тока и напряжения при выключении регулирующего элемента 10 используется высокоэффективная демпфирующая цепочка 30 из демпфирующего диода 22, коммутирующего

j диода 23 и резистора 24, которая, шун-

0

40

5

30

35

, 45

50

55

тируя выходную цепь регулирующего элемента 10 на интервале спада коллекторного тока диодом 23, включенным в прямом направляенйи, позволяет снизить потери в регулирующем транзисторе в 15-20 раз, что повьш1ает устойчивость к вторичному пробою в сшучае, если время восстановления обратного сопротивления диода 22 равно или больше Бремени спада t. тока коллекVxrl

тора регулирующего элемента 10.В качестве дополнительного источника для накопления неосновных носителей в базе дмпфирующего диода 22 используется вторичная обмотка 21 силового дросселя 19 силового фильтра 14, которая при включенном состоянии регулирующего элемента 10 имеет полярность, прямосмещающую демпфирующий диод 22 через резистор 24 и открытый регули-. рующий транзистор 10, и создает ток, равный 0,1 от максимального тока регулирующего транзистора 10. При выключении регулируюр его элемента 10 на нем увеличивается коллекторное напряжение и увеличивается, сменив полярность для рекуперации, напряжение на обмотках 21 и 20 силового, дросселя 19, включается второй коммутирующий диод 23 и, шунтируя ограничительный резистор 24, устанавливает близкое к нугао напряжение на регулирующем элементе 10 в течение времени диода 22. Если время tg|,j. равно или больше времени t, тока IK, то на коллекторе регулирующего транзистора 10 выделится незначительная мощность и его рабочая точка не выйдет из области безопасной работы,, ,

После процесса рассасывания неосновных носителей для дег-шфирующего диода 22, в течение которого через него проходит разностный ток первич9 .1

ного источника и коллектора регулирующего транзистора 10, на нем устанавливается суммарное напряжение регулирующего элемента 10 и конденсатора 17 емкостного делителя. При выключенном состоянии регулирующего элемента 10 открывается блокирующий диод 15, пропускающий ток рекуперации через вторичную обмотку 26 до- полни бльного двухобмоточного дросселя 25 при одновременном сбросе на цепь из резистора 28 и диода 27 энергии, накопленной в обмотке 29 за предыдущуто часть периода коммутации регулирующего элемента fO. Таким образом, дополнительный двухобмоточный дроссель 25 работает в режиме пе- ре агничивания, что вызывает меньшее изменение его индуктивности.

Предлагаемая система имеет повышенную эксплуатационную надежность ввиду наличия цепей формирования безопасной траектории переключения ре- гулирзтощего элемен. а, сравнительное небольшое увеличение объема, занимаемое элементами этих цепей из-за совмещения электромагнитных элементов с дросселем силового фильтра стабилизатора. Кроме того, регулирующий эле- мент имеет повьшгенную динамическую устойчивость к вторичному пробою при плавном запуске стабилизатора, что является обязательным условием включения полупроводниковых преобразователей, работающих на- повьшенных питающих напряжениях. Формул а изобретения

29 О

соединен с управляющим входом регулирующего элемента, и преобразователь постоянного напряжения в переменное, состоящий иэ двух последовательно содиненных транзисторов, подключенных параллельно указанному емкостному делителю и образующих вместе с ним полумостовой преобразователь, в диагональ которого включена первичная обмотка силового трансформатора, вторичной обмоткой соединенного с выходными выводами, и узла управления,выходы которого подключены к управляющим входам указанньк транзисторов, отличающаяся тем, что, с целью повьшения эксплуатационной надежности, в импульсный стабилизатор напряжения введены дополнительный двухобмоточный дроссель и демпфирующая цепь из последовательно соединенных демпфирующего и второго коммутирующего диодов, включенных встречно, и первого резистора, шунтирующего второй коммутирующий диод, причем первичная обмотка дополнительного дросселя включена ме;кду первым входным выводом и первым силовым выводом регулирующего элемента, а вторичная обмотка - между вторым входным вьшодом и другим электродом блокирующего диода и зашунтирована введенной сбросовой цепью, состоящей из последовательно соединенных диода и второго резистора, при этом диод включен в том же направлении, что и бло.кирующий диод, а обмотки дополнительного дросселя включены согласно, указанная демпфирующая цепь включена между точкой соединения регулирующего транзистора с первичной обмоткой дополнительного дросселя и точкой соединения первого коммутирующе- ,го диода с вторичной обмоткой силового дросселя, другой вывод которой подключен к точке соединения второго силового вывода регулирующего элемента с вторым входным выводом емкостного делителя, второй вьшод .первичной обмотки силового дросселя соединен с вторым входным выводом.

2, Система по п.1, о т л и ч а ю- щ а я с я тем, что, с целью уменьшения габаритов электромагнитных элементов, обмотки дополнительного дросселя намотаны на внешнем керне силового дросселя, причем соответствующие обмотки обокх. дросселей включены встречно.