Преобразователь постоянного напряжения в постоянное Советский патент 1991 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания систем радиотехники, автоматики и вычислительной техники.

Целью изобретения является повышение КПД.

На фиг.1 приведена электрическая схема преобразователя; на фиг.2 даны диаграммы токов и напряжений на элементах преобразователя; на фиг.З и 4 приведена электрическая схема и диаграммы напряжений на элементах блока управления.

Преобразователь постоянного напряжения содержит трансформатор 1. вторичная обмотка которого соединена через выпрямитель 2 и фильтр 3 с выходными выводами, а первичная обмотка присоединена

к первому силовому выводу полупроводникового ключа 4, например полевого транзистора с управляющим р-п переходом, вход управления полупроводникового ключа 4 подключен к первым выходным выводам двух дополнительных ключей, например к эмиттерам комплементарной пары транзисторов 5,6, базы которых присоединены к выходам блока управления 7, а коллектор первого транзистора 5 подсоединен к первому выводу однополярного источника напряжения 8. Второй транзистор 6 комплементарной пары, шунтированный третьим резистором 9, подключен к первому конденсатору 10 и диоду 11, присоединенному к точке соединения первого 12 и второго 13 резисторов и второго 14 конденсатора, третьего ключа 15. Блок упО

о

СП

а

равления 5 содержит датчик перегрузки 16, широтно-импульсный модулятор 17, триггер 18, элемент И 19, элемент ИЛИ 20, усилитель мощности 21, согласующий трансформатор 22, диодный оптрон 23, первый 24 и второй 25 логические инверторы, третий конденсатор 26 и восьмой резистор 27 пусковой цепи 28, ключ 29, а также четвертый 30, пятый 31, шестой 32 и седьмой 33 резисторы.

Для обеспечения надежного функционирования преобразователя напряжение источника однополярного напряжения и напряжение питания блока управления 7 должны появляться раньше входного напряжения преобразователя и исчезать после снятия последнего.

Входное напряжение обычно подается на преобразователь от сетевого выпрямителя через пусковые цепи.

Источник однополярного напряжения 8 и источник питания блока управления 7 могут быть реализованы на основе автономного маломощного преобразователя напряжения, питающегося от сетевого выпрямителя. В ряде случаев источнике одновременно может быть использован и для питания блока управления 7.

Рассмотрим работу устройства в установившемся режиме. Пусть в некоторый момент времени ц включается первый транзистор (фиг.2,а) 5 и выключается транзистор б. В интервале ti -12 (фиг.2,в) происходит форсированное отпирание ключа 4 через форсирующий конденсатор 14 и заряд конденсатора 10 по цепи: положительный полюс однополярного источника напряжения, транзистор 5, затвор-исток ключа 4, запирающий конденсатор 10, резистор 12, отрицательный полюс однополярного источника напряжения 8. По окончании импульса управления в момент тз происходит запирание первого транзистора 5 (фиг.2,а) и отпирание транзистора 6 (фиг.2,6). Идет быстрый перезаряд емкости затвор-исток клю- ча 4 с последующим поддержанием последнего в запертом состоянии за счет напряжения на конденсаторе 10, заряженного в предыдущий полупериод (фиг.2,г). Одновременно с этим на этапе запертого состояния ключа 4 (интервал ta -14) происходит разряд до нуля конденсатора 14 через резистор 13.

При пропадании импульсов блока управления 7 (например, срабатывание защиты или неисправности самой системы управления 15), а также при включении преобразователя необходимо обеспечить подачу запирающего напряжения между

управляющим и одним из силовых выводов (источник) полупроводникового ключа 4.

В момент включения преобразователя постоянного напряжения управляющий

сигнал с выхода блока управления 7 поступает на базу ключа 15 и открывает его. Идет быстрый заряд конденсатора 10 по цепи: положительный полюс однополярного источника напряжения 8. ключ 15, конденса0 тор 10, диод 11, резистор 12, отрицательный полюс источника однополярного напряжения 8. Напряжение на конденсаторе 10 через резистор 9 прикладывается между управляющим и одним из силовых (истоков)

5 выводов полупроводникового ключа 4 и последний оказывается запертым. По окончании переходных процессов в блоке управления 7 вырабатывается сигнал, запирающий ключ 15. В дальнейшем преобразо0 ватель работает, как было показано ранее. При попадании импульсов управления транзисторы 5,6 выключены, блок управления 7 вырабатывает сигнал, отпирающий ключ 15, и-на управляющем входе полупро5 водникового ключа 4 поддерживается запирающее напряжение. Таким образом обеспечивается надежное запирание полупроводникового ключа 4, как в установившемся, так и в аварийных режимах. Блок

0 управления 7 предназначен для выработки управляющих импульсов, обеспечивающих поочередное включение транзисторов 5 и 6 и запирание ключа 15 в установившемся режиме, а также запирание транзисторов 5

5 и 6 и включение ключа 15 при первоначальном включении преобразователя и в аварийных режимах. Как правило, блок управления имеет трансформаторный выход, что обеспечивает гальваническую развязку входной

0 и выходной цепи преобразователя, а также содержит широтно-импульсный модулятор 17, обеспечивающий стабилизацию выходного напряжения преобразователя.

Рассмотрим пример реализации блока

5 управления 15. Он состоит из датчика перегрузки 16, предназначенного для защиты силового транзистора от перегрузок, широт- но-импульсного модулятора (ШИМ) 17, вырабатывающего импульсы управления,

0 модулированные по длительности, усилителя мощности 21, обеспечивающего усиление импульсов управления до необходимого уровня, согласующего трансформатора напряжения 22, обеспечивающего гальваниче5 скую развязку блока управления 7 и полупроводникового ключа 4. При включении преобразователя постоянного напряжения ключ 9 замыкается и входное напряжение прикладывается к пусковой цепи 28 и обеспечивает заряд ее конденсатора

26. В интервале ti - t2 (фиг.4,а), пока напряжение на резисторе 27 превышает пороговое напряжение первого логического инвертора 24, напряжение на его выходе равно нулю, которое устанавливает триггер 18 в единичное состояние. Этот нуль устанавливает второй инвертор 25 в единичное состояние (фиг.4,д), которое обеспечивает сигнал высокого уровня на выходе логического элемента ИЛИ 20 Это приводит к значительному увеличению т ока излучателя оптрона 23. Приемный элемент оптрона 23 через ограничительный резистор 32 соединен с первым и вторым выходными выводами ключа 15 (фиг.1). Поэтому в интервале ti - t2 (фиг.4,а) происходит отпирание ключа 15 и заряд конденсатора 10.

Необходимо отметить, что с момента ti (фиг.4,а) начинает работать ШИМ 17, но импульсы управления на входе усилителя мощности 21 отсутствуют, пока присутствует нулевой уровень на одном из входов схемы И 19, и на выходной обмотке согласующего трансформатора напряжения 22, один крайний вывод которого соединен с эмиттерами транзисторов 5, 6 преобразователя, а другой -через базовые резисторы 30, 31 соединен с базами транзисторов 5,6.

Таким образом, в интервале ti - t2 (фиг.4,а) транзисторы 5,6 окажутся запертыми нулевым напряжением с выходной обмотки согласующего трансформатора 22, а ключ 4 - напряжением запирающего конденсатора 10.

Таким образом, устраняется возможность появления недопустимо больших токов через ключ 4 и при включении

После окончания переходных процессов при включении на выходе логического инвертора 24 устанавливается единица (фиг.4,6), на выходе логического инвертора 25 (фиг.4,д) - нуль. Это приводит к установлению низкого уровня напряжения на выходе логического элемента ИЛИ 20, прекращению тока приемного элемента оптрона 23 и запиранию ключа 15. Одновременно с этим в момент t2 (фиг.4,а) с выхода логического инвертора 24 поступает разрешающий сигнал (фиг.4,6) на вход элемента И 19. Сигнал широтно-импульсного модулятора 17 проходит через элемент И 19, усиливается до необходимого уровня усилителем мощности 21 и через трансформатор 22 управляет работой транзисторов 5,6 преобразователя.

Необходимо отметить, что в отсутствие аварийных режимов на выходе датчика перегрузки 16 присутствует логическая единица. В аварийных режимах (момент 1з) на выходе датчика перегрузки 16 устанавливается логический нуль(фиг.4,е), который устанавливает триггер 18 в единичное состояние по инверсному выходу (фиг,4,г), на выходе логического элемента ИЛИ 20 появ- 5 ляется сигнал высокого уровня, который не- рез оптрон 23 открывает ключ 15 преобразователя и, как было указано выше, обеспечивает заряд конденсатора 10 и за- пирзние ключа 4. Одновременно с этим

0 (фиг.2.е) нулевой сигнал с неинвертирующего выхода триггера 18 поступает на один из входов элемента И 19, запрещает прохождение сигналов широтно-импульсного

5 модулятора 17 на вход усилителя мощности 31. На выходе трансформатора 22 напряжение равно нулю и транзисторы 5 и 6 преобразователя оказываются запертыми

Преобразователь постоянного напря0 жения в постоянное позволяет резко увеличить рабочую частоту преобразователя до сотен килогерц и выше вследствие обеспечения необходимого крутого фронта и повысить его КПД.

5

Формула изобретения 1. Преобразователь постоянного напря- жения в постоянное, содержащий трансформатор, вторичная обмотка которого

0 соединена через выпря.митель и фильтр с выходными выводами, а первичная обмотка включена между первым входным выводом и первым силовым выводом полупроводни- кого ключа, второй силовой вывод которого

5 присоединен с второму входному выводу, а вход управления подключен к точке соединения первых выходных выводов двух дополнительных ключей, управляющие входы которых присоединены с выхода блока уп0 равления, входы которого соединены с выходными выводами и с датчиком перегрузки соответственно, второй выходной вывод первого дополнительного ключа подсоединен к первому выводу однополярного источ5 ника напряжения, а второй выходной вывод ВТОРОГО дополнительного ключа присоединен к первому выводу первого конденсатора, третий ключ, первый и второй резисторы, второй конденсатор и диод, о т0 л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения КПД, второй вывод первого конденсатора присоединен к второму силовому выводу полупроводникового ключа и к первому выходному выводу третьего ключа, управляю5 щий вход которого присоединен к введенному входу блока управления, второй выходной вывод третьего ключа - к первому выводу однополярного источника напряжения, второй вывод которого соединен через первый резистор и второй конденсатор, шунтированный вторым резистором, с вторым силовым выводом полупроводниковогорезистора и второго конденсатора, при этом ключа, при этом второй выходной выводблок управления выполнен обеспечиваю- второго дополнительного ключа, шунтиро-щим формирование отпирающего третий ванного третьим резистором, соединен че-ключ сигнала на введенном входе при перерез диод с точкой соединения первого5 ходных и аварийных режимах.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания. Цель - повышение КПД. Устр-во содержит трансформатор 1, вторичная обмотка которого через выпрямитель 2 и фильтр 3 присоединена к выходным выводам, полупроводниковый ключ 4, например полевой транзистор со статической индукцией, вход управления которого через два дополнительных ключа 5, 6 подключен к выходу блока управления 7. При поочередном отпирании и запирании первого 5 и второго 6 дополнительного ключей через управляющий вход полупроводникового ключа 4 будут проходить импульсы отпирающего и запирающего тока, причем благодаря конденсатору 14 импульсы тока управления форсируют отпирание и запирание полупроводникового ключа 4. 4 ил.

п 377 а

г з

-If

W

о -

Фиг.}

Фиг. 2

KJS

29

28 27

1

r-i

Б8

3|Ј

QwQ

5/5

Фиг.З