Высоковольтный источник электропитания Советский патент 1991 года по МПК H02M3/335 

о

4 4

со со

Изобретение относится к преобразователям низкого постоянного напряжения в высокое и может быть использовано для питания радиоэлектронной аппаратуры, например анодов электронно-лучевых приборов с широким диапазоном изменения тока нагрузки.

Целью изобретения является повышение КПД источника в диапазоне изменения величины модулирующего напряжения путем выбора и поддержания оптимальной длительности времени закрытого состояния ключевого элемента.

На фиг. 1 приведена структурная схема высоковольтного источника электропитания; на фиг. 2 - осциллограммы, напряжения на ключевом элементе U™, и тока, протекающего через ключ 4 и первичную обмотку повышающего трансформатора 1, тока во вторичной обмотке 1ч и напряжения на выходе генератора-модулятора U™ при работе источника в рабочем режиме, когда напряжение U™ меньше или равно амплитуде колебаний на первичной обмотке трансформатора UOL.

Высоковольтный источник содержит управляемый генератор-модулятор 1, на первый вход 2 которого подается входное напряжение питания, а второй вход подключен к источнику 3 модулирующего напряжения. Выход генератора-модулятора соединен с управляющим входом ключевого элемента 4, соединенный с входом повышающего трансформатора 5. Высоковольтный выход трансформатора подключен к выпрямителю 6, выходные выводы 7 которого являются выходом источника питания.

Высоковольтный источник питания работает следующим образом.

При подаче напряжения питания U™ начинает работать генератор-модулятор 1, который управляет работой ключевого элемента 4. При открывании ключевого элемента 4 по первичной обмотке трансформатора 5 начинает протекать ток, возрастающий по закону, близкому к линейному, который с достаточной точностью описывается формулой

J, t/.x.f/Li,

где LI - индуктивность первичной обмотки трансформатора 5.

К моменту запирания ключа в магнитном поле первичной обмотки трансформатора запасется энергия , заменяя 1 на U x-t/Li, получают W U -t2/2Li. В момент / запирания ключа в контуре, образованном эквивалентной индуктивностью обмоток повышающего трансформатора и суммарной емкостью схемы, возникает колебательный процесс, длительность первой части которого ЛГ (фиг. 2) зависит от отношения входного напряжения питания (7вх к амплитуде первой полуволны колебаний напряжения на первичной обмотке

трансформатора Ua., так как от этого отношения зависит начальная фаза колебаний. Из теории затухающих электрических колебаний известно, что выражение, полученное при подстановке начальных условий в решение дифференциального уравнения затухающих колебаний относительно ДГ, имеет вид:

&T Tc/2n(arctg

LbxVl-Li/4/UCo

f), (1)

Цц- 3t/.xp/2/U

где Гс 2я7 С0 Л/1 -Јi/4/U- C 0

т,,

t/вх - входное напряжение питания, являющееся осью затухающих колебаний (осью равновесного состояния); R H - приведенное к первичной обмотке сопротивление нагрузки с учетом суммарных потерь;

С0 - приведенное к первичной об- мотке значение собственной

емкости высоковольтной об- -, мотки;

P IL /C O- волновое сопротивление колебательного контура; повышающего трансформатора; - коэффициент демпфирования колебаний.

В течение первой четверти периода после времени Д7 энергия, запасенная в магнитном поле трансформатора заряжает суммарную емкость схем. При этом на этой емкости, обмотках трансформатора и ключевом элементе 4 появляется колебательный выброс напряжения, амплитуду которого определяют из условия, что энергия магнитного поля трансформатора почти полностью переходит в электрическую энергию суммарной емкости схемы (межвитковая и меж- слойная емкость высоковольтной обмотки трансформатора, входная емкость выпрямителя и паразитные емкости между высоковольтной обмоткой, сердечником и другими корпусными деталями), равную C2t/02/2, где Cz - суммарная емкость схемы. Так как СЕ U аг/2т , то амплитуда выброса напряжения i/e«t/nx -t( )lf2, т.е., при условии постоянства величин, входящих в последнее выражение, амплитуда выброса напряжения на обмотках трансформатора, а значит, и выходное напряжение источника, пропорционально времени открытого состояния ключа.

55

В установившемся режиме длительность открывающего импульса генератора-модулятора 1 при заданной величине выходного

напряжения определяется величиной суммарного воздействия напряжения модуляции на втором входе и напряжения питания на первом входе 2.

Импульсы высокого напряжения с вторичной обмотки повышающего трансформатора

5подаются на выпрямитель 6, с выхода 7 которого снимается требуемое постоянное высокое напряжение. Скос вершин первой и второй полуволн колебаний (фиг. 2) объясняется открыванием диодов в выпрямителе

6в моменты времени t и tz. Во время открытого состояния диодов часть энергии расходуется на подзаряд емкостей фильтра выпрямителя, что сопровождается соответствующим возрастанием тока во вторичной обмотке в указанные моменты времени.

По истечении отрезков времени, определяемых выражением (3/4-J-/C) -Тс (где К - параметр, характеризующий длительность собственных затухающих колебаний в трансформаторе 5), параметр теоретически можно выбирать из ряда 0,1,2,3... и т.д., значения напряжения на ключе минимальны, а ток вторичной обмотки (а значит, и магнитный поток) равен нулю. Поэтому, если открывать ключ по истечении указанных отрезков времени, то мощность, выделяемая в ключе в момент открывания, минимальна. Однако на практике целесообразно брать К, равным 0, так как третья и последующие полуволны колебаний не участвуют в передаче энергии в нагрузку. Кроме того, снижение частоты преобразования ведет к росту напряжения пульсаций на выходе источника и росту габаритов и веса фильтра выпрямителя, а значит, и всего источника. Таким образом оптимальное значение времени закрытого состояния Т3 равно 7-3 3/4-ГН-ДТ1(2).

Параметр выбран еще и потому, что вторая полуволна колебаний напряжения на обмотках, даже в самом неблагоприятном для этого случае, когда (фиг. 2) или нагрузка минимальна, имеет плоскую вершину, наличие которой заметно снижает требование к точности выбора и поддержания времени закрытого состояния ключа, ввиду расширения зоны с минимальной коммутационной мощностью при открывании ключа. Экспериментально установлено, что при и допустимая нестабильность Тз без заметного снижения КПД достигает ±10%. В рабочем режиме при вторая полуволна напряжения на ключе (фиг. 3) ограничена еще и диодом, включенным параллельно ключу, который подключает первичную обмотку трансформатора к источнику питания. Это увеличивает угол отсечки колебаний и еще больше расширяет зону минимальной коммутационной мощности при открывании ключа, что

дополнительно снижает требование к точности поддержания времени закрытого состояния ключевого элемента.

Используя выражение (1) не трудно показать, что изменение величины 7 -j-3/47V в режиме стабилизации выходного напряжения, при изменении нагрузки в 15-20 раз и нестабильности входного напря-жения ±15%, не превышает 10-15%, так как при изменении нагрузки величины Л7 и 7Г изменяются в противоположных направлениях и частично компенсируют изменения друг друга, причем изменение величины 3/4 преобладает.

Таким образом, применение генератора5 модулятора выгодно отличает изобретение, так как выбор и поддержание оптимального соотношения длительностей периода колебатетьного процесса в повышающем трансформаторе и запирающего ключ импульса генератора-модулятора, во всем

0 диапазоне изменения величин модулирующего и входного напряжения повышает средний КПД источника за счет минимизации коммутационной мощности во время открывания ключа.

5 Применение изобретения повышает линейность модуляционной характеристики, что расширяет диапазон изменения нагрузки и входного напряжения, в котором регулируется и стабилизируется выходное напряжение и увеличивает запас устойчивости

0 устройства.

Кроме того, упрощается схемное решение источника, облегчается температурный режим ключевого элемента, что повышает надежность и способствует снижению веса и габаритов.

5

Формула изобретения

Высоковольтный источник электропитания, содержащий ключевой элемент, соеди0 ненный с входом повышающего трансформатора, обладающего за счет распределения емкости свойствами колебательного контура, высоковольтный выход которого подключен к входу выпрямителя, блок управления, входом подключенный к источ5 нику модулирующего напряжения, выходом подключенный к управляющему входу ключевого элемента, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД в диапазоне изменения величины модулирующего напряжения путем выбора и поддержания опти0 мальной длительности времени закрытого состояния ключевого элемента, блок управления выполнен в виде генератора-модулятора, обеспечивающий импульс открывающий ключевой элемент изменяющимся по длительности в процессе регулирования, а длительность импульса закрывающего ключевой элемент выбрана при среднем значении тока нагрузки и поддерживается равной сумме 3/4 7V4-A7. где А7 часть

периода собственных колебаний повышающего трансформатора, которая зависит от начальных условий, причем

ДГ arc Vt-WV -Co1 2кUa-3U(/2RlH

где Тс Т0/т/1 12

М - входное напряжение питания, являющееся осью зату- tхающих колебаний;

RH - приведенное к первичной обмотке сопротивление нагруз

Г1

-0

L, 8

ки с учетом суммарных потерь;

приведенное к первичной обмотке значение собственной емкости высоковольтной обмотки;

волновое сопротивление колебательного контура повышающего трансформатора; коэффициент демпфирования колебания; индуктивность первичной обмотки трансформатора.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для питания различной радиоэлектронной аппаратуры. Цель изобретения - повышение КПД в диапазоне изменения величины модулирующего напряжения и поддержания оптимальной длительности времени закрытого состояния ключевого элемента. Периодом колебательного процесса в повышающем трансформаторе 5 и запирающего ключ 4 импульса генератора-модулятора 1, на вход 2 которого подается входное напряжение питания, вход 3 подключен к источнику модулирующего напряжения, а выход соединен с управляющим входом ключа 4. Длительность открытого состояния ключа 4 в процессе регулирования определяется величиной суммарного воздействия модулирующего и входного напряжений. Нагрузкой ключевого элемента 4 является повышающий трансформатор 5 с выпрямителем 6. 2 ил.

Urn О

фиг. 2