Источник питания с бестрансформаторным входом Советский патент 1990 года по МПК H02M7/21 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в

мощных централизованных выпрямительных устройствах систем вторичного электропитания больших информацией- но-вычислительных комплексов.

Цель изобретения - повышение КПД. Ка фиг. 1 приведена структурная схема источника питания; на фиг,2 - вариант выполнения в источнике питания блока регулировки с транзисторным регулятором на входе и выходным выпрямителем на выходе; на фиг.З то же, с выходным выпрямителем на входе и транзисторным регулятором на выходе; на фиг. 4 - выполнение в источнике питания узлов геометрического сложения в каналах управления; на фиг, 5 вариант выполнения в источнике питания транзисторного регулятора в блоке регулировки и узлов геометрического сложения в каналах управления; на фиг. 6 - временные диаграммы работы узлов источника, выполненного на фиг. 1-4, на фиг. 7 - временные диаграммы работы узлов источника, выполненного на фиг. 5.

Источник питания с бестрансформаторным входом содержит последовательно соединенные сетевой выпрямитель 1, фильтр 2, преобразователь 3, силовой трансформатор 45 блок регулировки 5, включающий транзисторный регулятор 6 и выходной выпрямитель 7 и выходной фильтр 8. Вторичная обмот силового трансформатора 4 подключена ко входу блока регулировки, а вход фильтра 8 - к его выходу. Выход фильтра 8 подключен ко входу блока 9 управления, включающему в себя формирователь 10 сигнала управления, дв канала управления 11 и 12 соответственно преобразователем 3 и транзисторным регулятором 6 тока регулировк 5 и два элемента временной задержки 13 и 14. Формирователь 10 содержит усилитель обратной связи 15, первый

0

5 Q

5

0

55

вход которого является входом формирователя 10 и блока управления 9, второй вход подключен к источнику опорного напряжения 16, а выход под- ключей через диод 17 и первую последовательную RC-цепь 18 к выходу задающего генератора 19 и ко входам генератора 20 пилообразного напряжения и элемента задержки 21, выход которого является первым выходом формирователя 1.0, и непосредственно к первому входу компаратора 22, второй вход которого непосредственно подключен к выходу генератора 20, а через вторую последовательную RC-цепь 23 - к выходу компаратора 22 и ко входу импульсного усилителя 24, выход которого является вторым выходом формирователя 10. Первый выход формирователя 10 подключен к первому входу канала управления 11 преобразователем 3 и через элемент задержки 14 - по второму входу канала управления 12 транзисторным регулятором 6 блока регулировки 5, а второй выход формирователя 10 подключен к первому входу канала управления 12 и через элемент задержки 13 - ко второму входу канала управления 11. Каждый канал управления J1, 2 содержит первый 25 и второй 26 триггеры, входы которых являются соответственно первым и вторым входами канала, а выходы подключены соответственно к первому 27 и второму 28 усилителям мощности с выходными трансформаторами 29 и 30, две вторичные обмотки каждого из которых подключены соответственно к первым и вторым входам двух узлов 31 и 32 геометрического сложения сигналов управления,, выходы которых образуют выходы канала управления и соответственно выходы блока управления 9, подключенные к соответствующим управляющим входам преобразователя 3 и транзисторного регулятора 6 блока регулировки 5.

В варианте выполнения блока регулровки 5 на фиг. 2 транзисторный регулятор 6 выполнен на двух последовательно соединенных транзисторах, включенных в рассечку двух плеч выходного выпрямителя 7, выход постоянного тока которого является входом блока регулировки 5, а вход переменного тока его входом.

В варианте выполнения блока регулировки 5 на фиг. 3 транзисторный регулятор 6 выполнен на двух параллельно соединенных транзисторах и включен последовательно с выходом постоянного тока выходного выпрямителя 7, образуя выход блока регулировки 5, входом которого является вход переменного тока выпрямителя 7.

В источнике питания в каждом канале управления 11 и 12 каждый узел геометрического сложения 31-34 выполнен на двух диодах 35 и 36 и резисторе 37, включенном между катодом диода 35 и анодом диода 36, соответственно анод и катод которых образуют выхрд узла и одновременно один из выводов первого и второго входов узла, подключенные к началу соответствующей вторичной обмотки выходного трансформатора 29 первого 27 и к концу соответствующей вторичной обмотки выходного трансформатора 30 второго 28 усилителя мощности соответственно, при этом другой вывод первого и второго входов узла образован соответственно анодом диода 36 и катодом диода 35 и подключен к концу соответствующей вторичной обмотки выходного трансформатора 29 первого 27 и к началу соответствующей вторичной обмотки выходного трансформатора 30 второго 28 усилителя мощности соответственно.

В варианте блока регулировки 5 на фиг. 5 транзисторный регулятор 6 выполнен на рдном транзисторе и включен последовательно с выходом постоянного тока выходного выпрямителя 7, образуя выход блока регулировки 5 входом которого является вход переменного тока выпрямителя 7, а в канале управления 12 транзисторным регулятором 6 блока регулировки 5 каждый узел 33 и 34 геометрического сложения выполнен на мостовом выпрямителе 38, выход которого с подключенным к нему ограничительным резистором 39 является выходом узла, а вход - пер,-

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

вым и вторым входами узла, причем ко входу узла 33 подключаются выводы синфазно соединенных, а ко входу узла 34 - противофазно соединенных соответствующих вторичных обмоток выходных трансформаторов 29 и 30 первого 27 и второго 28 усилителей мощности, а противофазно соединенные выходы узлов 33 и 34 образуют выход канала управления 12 транзисторным регулятором 6 блока регулировки 5.

Источник питания с бестрансформаторным входом работает следующим образом.

Входное напряжение сети поступает на сетевой выпрямитель 1, далее на сетевой фильтр 2, постоянное напряжение с которого поступает на высокочастотный преобразователь 3, нагрузкой служит силовой трансформатор 4, напряжение со вторичной обмотки которого поступает на вход блока регулировки 5. Выход блока регулировки 5 соединен с выходным фильтром 8, с выхода которого напряжение поступает в нагрузку. Напряжение обратной связи с блока 8 поступает в блок управления 9, на вход формирователя сигналов управления 10.

Формирователь 10 работает следующим образом. Задающий генератор 19 формирует последовательность импульсов (V19, фиг. 6), которая поступает на вход элемента задержки 21, на выходе которого образуется последовательность импульсов (V21, фиг. 6). Напряжение с выхода генератора 19 по- ступает также на вход генератора пилообразного напряжения 20, на выходе которого образуется сигнал (V20, фиг. 6), который поступает на один из входов компаратора 22. Напряжение обратной связи, поданное на усилитель обратной связи 15, усиливается и затем складывается с импульсным напря- жением, поступающим от генератора 19 через RC-цепь 18 и диод 17. Сумма этих напряжений поступает на другой вход компаратора 22 (VI5, фиг. 6). На выходе компаратора 22 образуются импульсы, модулированные по длительности в зависимости от сигнала обратной связи. Эти импульсы складываются с импульсным напряжением, образованным при обнулении пилообразного напряжения (V20, фиг. 6) генератора 20 с помощью КС-цепи 23 (V22, фиг.6). На выходе усилителя 24 образуется

(V24,

последовательность импульсов фиг. 6).

Таким образом, на выходах формирователя 10 получаются две импульсные последовательности, причем одна из них жестко привязана к задающему генератору, а другая сдвинута на время модулированного импульса, -при этом время сдвига определяется сигналом обратной связи с выхода источника вторичного питания. Формирователь сигналов управления 10 вводит обязательное ограничение наименьшего значения времени сдвига. Действительно, если при переходных режимах, когда выходное напряжение усилителя 15 меньше нулевого уровня напряжения генератора 20, скачкообразное изменение напряжения на выходе компаратора 22 все же произойдет. Дело в том, что амплитуда положительного импульса, подаваемого с дифференцирующей цепи 18 на вход компаратора 22, превышает на начальном участке линейно нарастающее напряжение, поступающее с генератора 20 на другой вход компаратора 22. В случае если выходное напряжение усилителя 15 превысит амплитуду пилообразного напряжения, выходной сигнал компаратора 22 будет положительным. Однако переключение транзистора усилителя 24 все же произойдет за счет запирания его импульсом разряда конденсатора дифференцирующей цепи 23 в момент обнуления пилообразного напряжения .

Управляющие импульсы, поступающие на преобразователь 3, образуются в канале управления 11 следующим образом. Последовательность импульсов с первого выхода формирователя 10 поступает на вход первого триггера 25, на его выходах образуются импульсы (V 25(1), V 25(2), фиг. 6), сдвинутые друг относительно друга на 180 эл. град. Эти импульсы поступают на вход первого усилителя мощности 27 с выходным трансформатором 29. На пряжение на обмотках трансформатора 29 изображено на фиг. 6, V .

Последовательность импульсов со второго выхода формирователя 10 поступает на вход элемента временной задержки 13. Напряжение на выходе 13 (V13, фиг. 6), поступает на вход второго триггера 26, на его выходах образуются импульсы (У%5 (1), V21(2)s

10

15

25

20, -JQ

s

554092

фиг.

8

30

35

40

45

55

6), сдвинутые друг относительно друга на 180 эл. град.Эти импульсы поступают на вход второго усилителя мощности 28 с выходным трансформатором 30. Напряжение на обмотках этого трансформатора показано на фиг. 6 (V30). Узлы геометрического сложения сигналов 31 и 32 предназначены для формирования управляющих напряжений, подаваемых на преобразователь 3. Каждый из этих узлов предназначен для управления одним из транзисторов преобразователя. Количество транзисторов преобразователя 3 задает количество узлов. Рассмотрим как работает узел геометрического сложения сигналов 31,

Напряжение со вторичной обмотки трансформатора 29 синфазно складывается с напряжением на обмотке трансформатора 30. В момент времени, когда это напряжение положительно, на входе узла 31 образуется отпирающее управляющее напряжение, подаваемое 1на один транзистор преобразователя |3. Базовый ток транзистора ограничен резистором 37, Когда напряжение на обмотке трансформатора 29 меняет знак, открывается диод 36 и на базу транзистора преобразователя 3 поступает запирающее напряжение. Когда напряжение на обмотке трансформатора 30 меняет знак, открывается диод 35 и запирающее напряжение прикладывается к переходу база - эмиттер транзистора преобразователя 3. В момент времени, когда оба напряжения на обмотках трансформаторов 29 и 30 отрицательны, обратное запирающее напряжение возрастает вдвое. Это напряжение показано на фиг. 6 (V31). Работа узла геометрического сложения 32 аналогична работе узла 31, только отпира- юшее напряжение, поступающее на транзистор преобразователя, сдвинуто на 180 эл. град, относительно положительного напряжения на выходе узла 31. Это напряжение показано на фиг. 6 (V32).

Таким образом формируются сигналы управления транзисторами преобразователя 3, причем каждый из этих сигналов реализует импульсную модуляцию длительности, в зависимости от сигнала обратной связи.

Управляющие импульсы, поступающие на транзисторный регулятор 6, образуются в канале управления 12 аналогичНым образом.Последовательность импульсов со второго выхода формирователя 10 поступает на вход первой триггера 25, на его выходах образуются импульсы

оса),

V(2), Фиг. 6), сдвину

w

is4 7 v s

тые друг относительно друга на 180 эл. град. Эти импульсы поступают на вход первого усилителя мощности 27 с выходным трансформатором 29. Напряжение на обмотках трансформатора 29 показано на фиг. 6 V г. Последовательность импульсов с первого выхода формирователя JO поступает на вход элемента задержки 14. Напряжение на выходе элемента 14 (VI4, фиг. 6), поступает на вход второго триггера 26, на его выходах образуются импульсы (V«0), VЈ6(2), фиг. 6), сдвинутые друг относительно друга на 180 эл.град. Эти импульсы поступают на вход второго усилителя мощности 28 с выход- ,ным трансформатором 30.

Рассмотрим работу узла геометриче кого сложения сигналов 33, которьй формирует управляющее напряжение для транзисторного регулятора 6, выполненного по фиг. 2 и 3. Напряжение со вторичной обмотки трансформатора

29синфазно складывается с напряжением на обмотке трансформатора 30. В момент времени, когда это напряжение положительно, на выходе узла 33 образуется отпирающее управляющее напряжение, подаваемое на один транзистор регулятора 6. Базовый ток транзистора ограничен резистором 37. Когда напряжение на обмотке трансформатора 29 меняет знак, открывается диод 36 и на переход база - эмиттер транзистора регулятора 6 поступает запирающее напряжение. Когда напряжение на обмотке трансформатора

30меняет знак, открывается диод 35 и запирающее напряжение прикладывается к переходу база - эмиттер транзистора регулятора 6. В момент , когда оба напряжения на обмотках трансформаторов 29 и 30 отрицательны, обратное запирающее напряжение возрастает вдвое. Это напряжение показано на фиг. 6 (V33). Работа узла геометрического сложения 34 аналогична работе узла 33, только от- пирающее напряжение, поступающее на другой транзистор регулятора, сдвинуто на 180 эл. град, относительно положительного напряжения на выходе

0

409210

узла 33. Это напряжение показано на фиг. 6 (V34).

Таким образом, сигналы управления транзисторами регулятора 6 формируются так, что каждый из этих сигналов реализует импульсную модуляцию длительности в зависимости от сигнала обратной связи.

Теперь, если рассмотреть сигналы V31 и V33, а также V32 и V34, то мож15

20

30

25

35

40

45

0

но увидеть, что в любых режимах работы источника питания импульсы управления регулятором 6 находятся внутри по времени импульсов управления преобразователем 3. Это означает, что включение и отключение . силовых высоковольтных транзисторов преобразователя 3 происходит всегда при выключенных транзисторах регулятора 6, т.е. в режиме холостого хода трансформатора 4. Причем это обстоятельство сохраняется независимо от модуляции длительности импульсов управления .

Рассмотрим варианты выполнения блока регулировки 5 источника питания. Источник питания, выполненный на фиг, 2, работает следующим образом. Сетевое напряжение поступает на сетевой выпрямитель 1 и далее на сетевой фильтр 2. На фиг. 2 для иллюстрации фильтр емкостной напряжение с выхода фильтра 2 поступает на полумостовой преобразователь 3 с двумя силовыми транзисторами, нагрузкой преобразователя является силовой трансформатор 4, вторичная обмотка трансформатора 4 подключена к выпрямителю 7 через силовые транзисторы регулятора 6, установленные последовательно с диодами выпрямителя 7 в каждом плече моста. Такое включение регулятора оправдано в тех случаях, когда выходное напряжение источника питания достаточно велико (более 20 В). При этом осуществляется регулирование в оба полупериода ионе требуется дополнительная установка нулевого диода в цепь фильтра 8, в случае, если регулятор установлен после выпрямителя 7.

Источник питания,выполненный на фиг. 3, работает следующим образом. Входное напряжение поступает на сете - вой выпрямитель 1, затем выпрямляется фильтром 2, после которого установлен двухтактный полумостовой преобразователь 3. Нагрузкой преобразователя является трансформатор 4„ Напряжение с его вторичной обмотки поступает на вход выпрямителя 7, выпрямленное напряжение поступает на транзисторный регулятор 6 и далее на выходной фильтр 8, который в этом случае должен включать в себя нулевой диод. Такое построение блока регулировки позволяет использовать тран- зисторный регулятор, состоящий как из двух,, так и из одного транзистора. Выполнение транзисторного регулятора 6 блока регулировки 5 на одном транзисторе (фиг. 5) позволяет уп- ростить схему узлов геометрического сложения 33 и 34 канала управления 12 блока управления 9, Рассмотрим формирование импульсов управления транзистором регулятора 6. Узел гео- метрического сложения сигналов 38 формирует отпирающее напряжение, подаваемое на транзистор регулятора 6„ Напряжение одной обмотки трансформа- тора 29 (Vj, фиг. 7) синфазно скла- дывается с напряжением одной обмотки трансформатора 3Q ( Фиг. 7). Это суммарное напряжение (, фиг. 7) поступает на вход () выпрямителя положительного напряжения 38 узла 32 С выхода этого выпрямителя (В) отпирающее напряжение ( фиг, 7) поступает в базу транзистора регуляторов через резистор 39 узла 34.

Узел геометрического сложения сиг налов 34 предназначен для формирования отрицательного 2аггирающего напряжения для перехода база-эмиттер транзистора регулятора 6. Напряжение другой обмотки трансформатора 29 (, фиг. 7) противофазно складывается с напряжением другой обмотки трансформатора 30 (V, , фиг, 7). Это суммарное напряжение (V s фиг. 7) поступает на вход () выпрямителя отрицательного напряжения 38 узла 34. С выхода этого выпрямителя (А) напряжение (V., фиг. 7) поступает в базу транзистора регулятора 6 через резистор 39 узла 34.

В результате работы узлов 33 и 34 на переходе база-эмиттер транзистора регулятора 6 образуется напряжение оптимальной формы (V6, фиг.7)„

Благодаря такому исполнению узлов геометрического сложения 33 и 34, возможно использование в регуляторе одного транзистора, работающего с удвоенной частотой, при этом упрощается схема регулятора и уменьшаются габариты всего источника питания в целом.

Благодаря введению в источник питания регулируемого преобразователя и специального формирователя сигналов управления, обеспечивающего полное исключение режима сквозных токов, значительно повышается надежность работы высоковольтных транзисторов и КПД всего источника. Применение сигналов управления транзисторами регулятора, обеспечивающих запирающее напряжение непосредственно за отпирающим, позволяет значительно уменьшить потери в регуляторе в моменты переключения транзисторов. Тем самым, появляется возможность увеличить частоту работы транзисторов регулятора и как следствие, уменьшить габариты силовых элементов источника питания.

Формула изобретения

1. Источник питания с бестрансформаторным входом, содержащий по- - следовательно соединенные сетевой выпрямитель, фильтр, преобразователь и силовой трансформатор, вторичная обмотка которого связана с входом блока регулировки, включающего транзисторный регулятор и выходной выпрямитель, причем выход блока регулировки через выходной фильтр подключен к входу блока управления, включающего в себя два элемента временной задержки, выходы которого связаны с управляющими входами преобразователя и транзисторного регулятора блока регулировки соответственно, отличающий- с я тем, что, с целью повышения КПД блок управления снабжен формирователем сигналов управления, включающим себя задающий генератор, генератор пилообразного напряжения, компаратор импульсный усилитель, усилитель обратной связи, элемент задержки, две последовательные RC-цепи источник опорного напряжения и дкод, и двумя каналами управления соответственно преобразователем и транзисторным регулятором блока регулировки, каждый из которых выполнен на первом и втором триггерах, входы которых являются соответственно первым и вторым . входами каналов, а выходы подключены

соответственно к первому и второму усилителю мо цности с выходным трансформатором, две вторичные обмотки каждого из которых подключены соответственно к первым и вторым входам двух узлов геометрического сложения сигналов управления, выходы которых образуют выходы канала управления,и соответственно выходы блока управления , подключенные к соответствующим управляющим входам преобразователя и транзисторного регулятора блока регулировки, причем входом блока управления является вход формирователя сигналов управления, образованный первым входом усилителя обратной связи, второй вход которого подключен к источнику опорного напряжения, а выход подключен через диод и первую последовательную RC-цепь к выходу задающего генератора и входам генератора пилообразного напряжения и элемента задержки, выход которого является первым выходом формирователя сигналов управления, и непосредственно к первому входу компаратора, второй вход которого подключен непосредственно к выходу генератора пилообразного напряжения, а через вторую последовательную RC-цепь - к выходу компаратора и входу импульсного усилителя, выход которого является вторым выходом формирователя сигналов управления, подключенным к первому входу канала управления транзисторным регулятором непосредственно и через первый элемент временной задержки - к второму входу канала управления преобразователем, первый вход которого подключен к первому выходу формирователя сигналов управления, и через второй элемент временной задержки - к второму входу канала управления транзисторным регулятором.

2.Источник питания по п. I, отличающийся тем, что в блоке регулировки транзисторный регулятор выполнен на двух последовательно соединенных транзисторах, включенных в рассечку двух плеч выходного выпрямителя, выход постоянного тока которого является выходом блока регулировки, а вход переменного тока - его входом.

3.Источник питания по п. 1, о т- лич агощий ся тем, что в блоке регулировки транзисторный регулятор выполнен на двух параллельно соединенных транзисторах и включен последовательно с выходом постоянного тока выходного выпрямителя, образуя выход блока регулировки, входом которого является вход переменного тока выходного выпрямителя. Q 4. Источник питания по пп. 2 или 3, отличающийся тем, что в каждом канале управления каждый узел геометрического сложения сигналов управления выполнен на двух 5 диодах и резисторе, включенном между катодом одного и анодом другого диода, соответственно анод и катод которых образуют выход узла и одновременно один из выводов первого и Q второго входов узла, подключенные к началу соответствующей вторичной обмотки выходного трансформатора первого и к концу соответствующей вторичной обмотки выходного трансфор- 5 матора второго усилителя мощности соответственно, при этом другой вывод первого и второго входов узла образован соответственно анодом дру того и катодом одного диода и под- 0 ключей к концу соответствующей вторичной обмотки выходного трансформатора первого и к началу соответствующей вторичной обмотки выходного трансформатора второго усилителя мощ- с ности соответственно. 5 I

5. Источник питания по п.., отличающийся тем, что, с целью упрощения в блоке регулировки Q транзисторный регулятор выполнен на одном транзисторе и включен последовательно с выходом постоянного тока выходного выпрямителя, образуя выход блока регулировки, входом ко- 5 торого является вход переменного тока выходного выпрямителя, а в канале управления транзисторным регулятором блока регулировки каждый узел управления выполнен на мостовом выпрямителе, выход которого с подключенным к нему ограничительным резистором является выходом узла, а вход - первым и вторым входами узла, причем к входу одного узла подключаются выводы синфазно соединенных, а к входу другого узла противофазно соединенных соответствующих вторичных обмоток выходных трансформаторов первого и второго усилителей мощности,

0

5

а противофазно соединенные выходы обо- ления транзисторным регулятором бло- „|их узлов образуют выход канала управ- |ка регулировки.

i I

- л |к

i I

Изобретение относится к электротехнике. Цель изобретения - повышение КПД - достигается введением в блок 9 управления источником питания формирователя 10 сигналов управления и каналов 11 и 12 управления преобразователем 3 и транзисторным регулятором 6, включающих узлы 31 - 34 геометрического сложения сигналов, формирующих на входах преобразователя 3 и транзисторного регулятора 6 импульсные последовательности, сдвинутые друг относительно друга. Каждая из этих импульсных последовательностей модулируется по длительности управления формирователем 10 сигналов управления. При этом полностью исключается режим сквозных токов транзисторов в преобразователе 3 и формируются оптимальные импульсы управления как транзисторами преобразователя 3, так и регулятора 6. Эти импульсы создают запирающее напряжение на управляющих входах силовых транзисторов, следующее по времени непосредственно за отпирающим напряжением. Тем самым значительно уменьшатся динамические потери в силовых транзисторах, что и приводит к повышению КПД всего источника питания. При этом силовые импульсы преобразователя 3 всегда имеют гарантированную минимальную длительность, независимую от сигналов обратной связи. Это позволяет обеспечить во всех переходных режимах перемагничивание сердечника силового трансформатора (т.е. исключить возможность пропадания одного из силовых импульсов преобразователя, например запредельного сигнала обратной связи, в один из полупериодов работы). 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

V. V

фуг 2

Фиг.З