Импульсный стабилизатор переменного напряжения Советский патент 1990 года по МПК G05F1/30 

о

01

ю

3

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам питания радиоэлектронной аппаратуры, и может быть использовано в импульсных стабилизаторах переменного напряжения ,

Цель изобретения - увеличение КПД и надежности стабилизатора за счет уменьшения коммутащ онных перегрузок

На фиг. 1 представлена схема импульсного стабилизатора переменного напряжения; на фиг. 2 - блок управления с подключенными к нему ключeвы fи элементами; на фиг. 3 - диаграммы напряжений в характерных точках схемы стабилизатора.

Стабилизатор (фиг. 1) содержит дроссель 1, регулируемый преобразо-. ватель 2, состоящий из автотрансфор- матора 3 и двух двухполярных ключевых элементов 4 и 5 (например, транзисторов, включенных в диагональ выпрямительного моста) , двухполярных ключевых элементов 6 и 7, конденсатора 8 и блока 9 управления. К выходным выводам стабилизатора подключена нагрузка 10.

Выводы полуобмоток автотрансформатора 3 через ключевые элементы 4 и 5 подключены к общей шине, а средняя точка обмотки автотрансформатора 3 - к выходному выводу. При этом на полуобмотках автотрансформатора 3 вьшол- нено по отводу, которые соединены с первыми силовыми выводами 6 и 7 ключевых элементов, вторые силовые выводы которых через дроссель 1 подключены к входному выводу. К выходным выводам стабилизатора подключен конденсатор 8 и вход блока 9 управления, первый, второй, третий и четвертый выходы которого вьтолнены гальванически развязанными и соединены с управляющими входами соответственно ключевых элементов 4-7.

При этом ключевые элементы 6 и 7 (фиг. 2) выполнены в виде выпрямительных диодных мостов 11, в диагональ постоянного тока каждого из которых включены последовательно соединенные однополярный ключевой элемент 12, например транзистор, управляющий вход которого соединен с управляющим входом соответствующего ключевого элемента, и одна из обмоток двухобмо- точного дросселя 13, шунтированная последовательно соединенным диодом 14 и реяистооом 15, а диагональ перемен0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

ного тока каждого выпрямительного диодного моста 11 подключена к силовым выводам соответствующего ключевого элемента о

Блок 9 управления содержит датчик 16 амплитуды выходного напряжения, вход- которого подключен к входу блока 9 управления, а выход через узел 17 сравнения - к входам управления управляемых фазосдвигающих узлов 18 и 19, задающий генератор 20, прямой выход которого соединен с входами синхронизации фазосдвигаюш х узлов 18 и 19, прямой и инверсный выходы которых подключены к входам соответственно первого и второго элементов 21 и 22 совпадений, выходы которых через элемент ИЛИ 23 соединены с первыми входами первого и второго элементов И-ПЕ 24 и 25, вторые входы которых подключены соответственно к прямому и инверсному выходам задающего генератора 20. Выходы элементов 21 и 22 совпадений и элементов И-ПЕ 24-25 подключены соответственно к первому - четвертому выходам блока 9 управления .

Стабилизатор работает следукяцим образом.

Напряжение на выходе стабилизатора складывается из входного напряжения и низкочастотной составляющей импульсов напряжения, появляющихся между средней точкой обмотки автотрансформатора 3 и общей точкой ключевых элементов 6 и 7, форма низкочастотной составляющей представляет собой синусоиду с частотой сети. При этом высокочастотные составляющие импульсов отфильтровываются дросселем 1 и конденсатором 8.

Стабилизация выходного напряжения осуществляется автоматически блоком 9 управления изменением амплитуды и фазы низкочастотной составляющей этих и hyльcoв напряжения. Амплитуда и фаза низкочастотной составляющей изменяется за счет регулирования длительности и полярности импульсов напряжения, появляющихся между средней точкой обмотки автотрансформатора 3 и общей точкой ключевых элементов 6 и 7.

Выполнение двухпсшярных ключевых элементов 6 и 7 в виде выпрямительных мостов 11, в диагонали постоянного тэка каждого из которых включены последовательно соединенные однополярный ключевой элемент 12 и одна из обмоток двзгхобмоточного дросселя 13, шунтированная последовательно соединенными диодом 14 и резистором 15, позволяет исключить коммутационные перегрузки по току при переключении ключевых элементов, когда во время переходного процесса одновременно открыты оба ключевых элемента 6 и 7 и один из ключевых элементов 4, 5 регулируемого преобразователя 2, за счет этого увеличивается надежность стабилизатора и сокращаются динамические потери на ключевых элементах. Пр этом построение схемы и принцип равления ключевыми элементами исключают одновременное открытое состояни ключевых элементов 4 и 5 регулируемого преобразователя 2,

Действительно, во время переходного процесса при переключении ключевы элементов, когда одновременно могут быть открыты ключевые элементы 6 и 7 и один из ключевых элементов 4,5, часть обмотки трансформатора 3 нагружается открытыми ключевыми элементами 6 и 7. Ток; через один из открытых ключевых элементов 4, 5 линейно зависит от токов через ключевые элементы 6 и 7, не пpeвышaюпц x токи через соответствующие обмотки дросселя 13, входящие в их состав. Токи через об- мотки дросселя 13 не могут резко из- |Мениться, тем самым исключаются коммутационные перегрузки по току во время переходного процесса.

Поскольку длительность переходно- го процесса мала, ток через дроссель 1 за это время практически не изменяется, поэтому при описанном принципе управления ключевыми элементами сум- ма через ключевые элементы 6 и 7 одинакова до и после переключения одного из них. Это позволяет исклю- , чить коммутационные перегрузки по напряжению на ключевых элементах 6 и 7 из-за включения в их состав дросселя 13, так как обмотки дросселя выполнены одинаковыми, а до начала любого переходного процесса сумма токов через обмотки дросселя 13 бьта не меньше, чем абсолютное значение тока дросселя 1. После окончания переходного процесса ток через дроссель 1 остался прежним, а сумма токов через обмотки дросселя 13 могла только увеличиться, так как во время переходного процесса на них падает относи10

тельно высокое положительное напряжение, увеличивающее энергию дросселя 13. Но положительная разность между суммой токов через обмотки дросселя 13 и абсолютным значением тока через дроссель 1 не вызывает перегрузок по напряжению, так как разностньш ток, равный разности абсолютных значений тока через обмотку дросселя 13 и открытый ключевой элемент, в состав которого она входит, замыкается на цепи: обмотка дросселя 13 и диодно-тре- зистивная цепочка, ее шунтирующая, 5 параметры которой выбираются такими, чтобы избыточная энергия, накопленная дросселем 13 во время переходного процесса, полностью рассеивалась за период колебаний задающего генерато- 20 ра 20 блока 9 управления.

Блок 9 управления работает следующим образом. Узел 17 сравнения срдв- ниваёт напряжение, поступающее с выхода датчика 16 амплитуды выходного 25 напряжения, с опорным напряжением, из зависимости от разности этих напряжений сдвигает импульсы управляемых фазосдвигающих узлов 18 и 19 относительно импульсов задающего 30 генератора 20 (фиг. За). При этом им- пульсы на выходе фазосдвигающего узла 18 (фиг. Зб) отстают по фазе от импульсов задающего генератора 20, а импульсы на выходе фазосдвигающего узла 19 (фиг. Зв) опережают их.

В результате меняется длительность импульсов на выходах элементов 21 и 22 совпадений (фиг. Зг, д), а следовательно, меняется время открытого состояния ключевых .элементов 4 и 5 регулируемого преобразователя 2 и, таким образом, скважность импульсов напряжения между средней точкой обмотки автотрансформатора 3 и общей точкой ключевых элементов 6 и 1,,

При отсутствии импульсов на выходах элементов 21 и 22 совпадений (фиг. 3 г, д) на выходе элемента ИЛИ. 23 наблюдается нулевой логичес- 0 кий уровень и, следовательно, на выходах элементов И-НЕ 24 к 25 - единичный логический уровень (Фиг.3е,ж) и поэтому одновременно открыты оба ключевых элемента 6 и 7.

Причем при напряжении сети вьппе . номинального (фиг. 3, t t,) импульсы на выходе фазосдвигающего узла 18 (фиг. Зб) отстают по фазе от импульсов задающего генератора 20 (фиг. За)

5

0

5

5

более, чем на 1/4 периода его колебаний, а импульсы на выходе фазосдви- гающего узла (фиг. Зв) опережают их более, чем на 1/4 периода. Поэтому во время импульса на выходе элемента 21 совпадений (фиг. Зг) (а следовательно, и элемента ИЛИ 23) на выходах

элементов П-НЕ 24 и 25 (фиг. 3 е, ж)

имеются соответственно нулевой и еди- ,о чивает при напряжеш и сет и нижГно - ничныи логические уровни (за счетнального попеременное попарное пересдвига фаз меязду импульсами на выхо-кпючение ключевых элементов 4 6 и

де элемента 21 совпадений и задающего 5, 7, а при напряжении сети выше но- генератора 20). А во время импульсаминального - попеременное попарное

на выходе элемента 22 совпадений переключение ключевых элементов 4 7

(.фиг. 3 Д) на выходах элементов 24 ии -5, 6.

25 имеются соответственно единичныйВ результате, когда открыт один

и нулевой логические уровни (фиг.Зе, ж). В результате происходит попере-,

с частотой задающего генератора 20 блока 9 управления, которая много больше частоты сети. Ключевые элементы переключаются в течение соответствующего полупериода этих колебаний. Длительность их открытого состояния определяется блоком 9 управления. Кроме того, блок 9 управления обеспеменное переключение попарно ключевых элементов 4, 7 и 5, 6.

При напряжении сети ниже номиналь- но го (фиг. 3, t tj) импульсы на выходе фазосдвигающего узла 18 (фиг. 36)

из ключевых элементов 4 или 5, открыт и один из ключевых элементов 6 или 7,

20 а между средней точкой автотрансформатора 3 и выводом дросселя 1 появляются высокочастотные импульсы напряжения, полярность которых совпадает с полярностью входного сигнала при

- jjju UHl ncUlcl Пии

. 5 напряжении сети ниже номинального и

30

го- генератора 20 (фиг. 3 а) менее, чем на 1/4 периода его колебаний, а импульсы на выходе фазосдвигающего узла 19 (фиг. 3 в) опережают их менее, чем на 1/4 периода. Поэтому во время импульса на выходе элемента 21 совпадений (фиг. 3 г) на выходах элементов И-ИЕ 24 и 25 имеются соответственно единичньш и нулевой логические уровни (фиг. 2 е, ж). А во время .импульса на выходе элемента 22 совпа- 35 дений (фиг. 3 д) на выходах элементов 24 и 25 имеются соответственно нулевой и единичный логические уровни (фиг. 3 е, ж). В результате происходит попеременное переключение попарно ключевых элементов 4, 6 и 5, 7.

Таким образом, меняя сдвиги фаз между задающим генератором 20 и управляемыми фазосдвигакяцими узлами 18 и 19, осуществляется требуемый закон переключения ключевых элементов 4-7. Сдвиги фаз регулируются автоматически узлом 17 сравнения, подключенным своим выходом к управляющим входам управляемых фазосдвигающих узлов 18 и 19. Напряжение на выходе узла 17 сравнения линейно зависит от разности опорного напряжения и напряжения, по« ступаклцего на его вход с выхода дат40

45

50

противоположна ей при входном напряжении вьше номинального (фиг. 3 з, соответственно при t i t,, и при t t). Частота .этих импульсов равна удвоенной частоте задающего генератора 20 блока 9 управления. Когда же закрыты оба ключевых элемента 4 и 5, ключевые элементы 6 и 7 открыты, напряжение на обмотках автотрансформатора 3 равно нулю и входной ток стабилизатора (ток через дроссель 1) протекает через обе части полуобмоток автотрансформатора 3 и ключевые элементы 6 и 7. В этом случае обеспечивается равенство выходного напряжения входному напряжению.

Такое построение схемы позволяет уменьшить коммутационные перегрузки в стабилизаторе, повышает ег о КПД и надежность.

Использование дросселя 1 и конденсатора 8 позволяет улучшить форму выходного напряжения и уменьшить пульсации входного тока.

Кроме того, использование меньшего количества ключевых элементов позволяет уменьшить потери мощности в блоке 9 управления.

Особенно наглядны преимущества

- . 4-wi- cnnu псилидны преимущества

чика 16 амплитуды выходного напряже- 55 предлагаемого стабилизатора при на- .пряжении сети, равном номинальному.

.Ключевые элементы 4 и 5 регупируе- При этом ток нагрузки, делясь попо- мого преобразователя 2 переключаются лам, протекает через обе части полу

чивает при напряжеш и сет и нижГно - нального попеременное попарное перес частотой задающего генератора 20 блока 9 управления, которая много больше частоты сети. Ключевые элементы переключаются в течение соответствующего полупериода этих колебаний. Длительность их открытого состояния определяется блоком 9 управления. Кроме того, блок 9 управления обеспеВ результате, когда открыт один

из ключевых элементов 4 или 5, открыт и один из ключевых элементов 6 или 7,

а между средней точкой автотрансформатора 3 и выводом дросселя 1 появляются высокочастотные импульсы напряжения, полярность которых совпадает с полярностью входного сигнала при

- jjju UHl ncUlcl Пии

напряжении сети ниже номинального и

напряжении сети ниже номинального и

противоположна ей при входном напряжении вьше номинального (фиг. 3 з, соответственно при t i t,, и при t t). Частота .этих импульсов равна удвоенной частоте задающего генератора 20 блока 9 управления. Когда же закрыты оба ключевых элемента 4 и 5, ключевые элементы 6 и 7 открыты, напряжение на обмотках автотрансформатора 3 равно нулю и входной ток стабилизатора (ток через дроссель 1) протекает через обе части полуобмоток автотрансформатора 3 и ключевые элементы 6 и 7. В этом случае обеспечивается равенство выходного напряжения входному напряжению.

Такое построение схемы позволяет уменьшить коммутационные перегрузки в стабилизаторе, повышает ег о КПД и надежность.

Использование дросселя 1 и конденсатора 8 позволяет улучшить форму выходного напряжения и уменьшить пульсации входного тока.

Кроме того, использование меньшего количества ключевых элементов позволяет уменьшить потери мощности в блоке 9 управления.

Особенно наглядны преимущества

. 4-wi- cnnu псилидны преимущества

предлагаемого стабилизатора при на- пряжении сети, равном номинальному.

обмоток автотрансформатора 3 и оба ключевых элемента 6 и 7,

Поэтому потери мощности на автотрансформаторе преобразователя и ключевых элементах меньше, чем в схеме известного стабилизатора, где ток нагрузки протекает через один ключевой элемент и одну часть обмотки (но он вдвое больший, поэтому там большие и омические потери в автотрансформаторе и потеря на ключевом элементе) и где, кроме того, протекает ток через всю обмотку автотрансформатора преобразователя и ключевой элемент, через ко- торый соединены ее выводы, создавая таким образом потери мощности, которых нет в предлагаемой схеме.

Формула изобретения

Импульсньш стабилизатор переменного напряжения, содержащий регулируемый преобразователь, состоящий из автотрансформатора, обмотка которого вьтолнена со средней точкой, первого и второго ключевь х элементов, которые включены между общей шиной и выводами папуобмоток автотрансформатора, на каждой из которых выполнено по отводу, к которым подключены первые силовые выводы третьего и четвертого ключевых элементов, соединенных вторыми силовыми выводами между собой, и блок управления, состоявши из задающего генератора, прямой выход которого

подключен к входам синхроьшзации двух управляемых фазосдвигающих узлов, входы управления которых соединены между собой, причем первый, второй, третий и четвертый выходы блоЛа управле- кия подключены к управляющем входам соответственно первого, второго, третьего и четвертого ключевых элементов, о т л и ч а ю Dt и и с я тем, что, с целью увеличе шя КПД и надежности за счет уменьшения коммутационных перегрузок, в него введены дрос

JQг

20

30

25 ,

5

сель и ко1щенсатор, а блок упрагзлеш я снабжен датчиком агтлитуды выходного напряжения, узлом сравнения, двумя элементами совпадеш1Й, элементом ИШ и двумя элементам -: И-НЕ-, причем объединенные вторые силовые хтыводы третьего и четвертого ключевых элементов через дроссель соединены с вxoдны выводом, средняя точка автотрансформатора под-.лючена к выходному выводу, с которым соединен иход блока управления, а ко} денсатор включен между выходным выводом и общей шиной, при этом датчик a mлитyды выходного напряжения входом подкпючен к входу блока упранпе шя5 а выходом через узеп сравнешгя - к входам управления управляемых фазосдвигающих узлов, прямые и инверсные выходы которых соединены с входами соответственно первого и второго элементов совпаде- ш{й, вькoдa sи подключенных соответственно к первому и второму выходам блока управления и к первому и второму входам элемента ШП1, вход которого соединен с первыми входами первого и второго элементов lf-ПЕ, вторые входы которых подключены соответственно к прямому и инверсному выходам задающего генератора, а выходы - соответственно к третьему и четвертому выходам блока упраште1шя., кроме того, третий и четвертый ключевые элементы вьшол- нены в виде выпрямительных диодных мостов, в диагональ постоянного тока каждого из которых включены пос,ггедо- вательно соединенные однопштярный ключевой элемент, управляющий вход которого соединен с. управляющим входом соответствующего ключевого элемента, и одна из обмоток дву собмоточ- ного дросселя, шунтированная последовательно соединенным диодом и резистором, а диагональ переменного тока каждого выпрямительного диодпого моста подключена к силовым выводам соответствующего ключевого элемента.

&

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для питания радиоэлектронной аппаратуры. Целью изобретения является увеличение КПД и надежности стабилизатора за счет уменьшения коммутационных перегрузок. Напряжение на выходе стабилизатора складывается из входного напряжения и низкочастотной составляющей импульсов напряжения, появляющихся между средней точкой обмотки автотрансформатора 3 и общей точкой ключевых элементов 6 и 7. Стабилизация выходного напряжения осуществляется автоматически блоком 9 управления изменением амплитуды и фазы этой низкочастотной составляющей. Коммутационные перегрузки по току в ключевых элементах 4...7 исключены благодаря использованию двухобмоточного дросселя в ключевых элементах 6 и 7 и исключению одновременно открытого состояния ключевых элементов 4 и 5. За счет этого сокращаются динамические потери на ключевых элементах 4...7, что приводит к повышению КПД и надежности стабилизатора. 3 ил.