Преобразователь постоянного напряжения Советский патент 1992 года по МПК H02M3/07 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам электропита- ния, и может использоваться для понижения уровня постоянного напряжения.

Цель изобретения - расширение области применения.

На чертеже приведена схема предлагаемого преобразователя.

Преобразователь содержит дроссель 1, соединенный одним выводом с входным выводом для подключения плюса источника питания, другим выводом - с коллектором первого входного транзисторного ключа, автогенератор 2, подключенный к входу предварительного усилителя 3, установленные между эмиттерами первого 4 и второго 5 транзисторных ключей п промежуточных конденсаторов 6, включенных последовательно и поочередно с п-1 прямо смещенными диодами 7, при этом коллектор второго входного транзисторного ключа 5 соединен с выходным выводом для подключения минуса источника питания. Первый и второй выходы предварительного усилителя 3 подключены, соответственно, к объединенным попарно базам и эмиттерам первых входного и нагрузочного транзисторных ключей 4 и 8, третий выход - к объединенным эмиттеру второго входного, коллектору n-го нагрузочного транзисторных ключей 5 и 8 и нижней обкладке n-го промежуточного конденсатора 6, четвертый выход- через прямо смещенный n-й диод 7 к нижней обкладке первого промежуточного конденсатора 6 и непосредственно к нижней обкладке выходного конденсатора 9 и объединенным эмиттерам 2,...,п нагрузочных транзисторных ключей 8, подключенных к нижним обкладкам соответствующих 2п промежуточных

конденсаторов 6, соединенных верхними обкладками соответственно через прямо включенные (п+1)(2п-1) диоды 7 с коллектором первого нагрузочного транзисторного ключа 8 и верхней обкладкой выходного конденсатора 9, а пятый выход предварительного усилителя 3 подключен к объединенным базам 2п нагрузочных ключей 8,

шестой выход - к базе второго входного транзисторного ключа 5. Обкладки выходного конденсатора 9 соединены с выходными выводами преобразователя.

Преобразователь работает следующим образом.

Автогенератор 2 вырабатывает тактовые импульсы опорной частоты (например, со скважностью 2), поступающие в предварительный усилитель 3. Последний сигналами с выходов 1,...,6 в первый полупериод опорной частоты открывает транзисторные

ключи 4 и 5 и закрывает все нагрузочные транзисторные ключи 8. В это время через дроссель 1, транзисторные ключи 4 и 5, диоды 7i,,..,7n-i заряжаются все промежуточные конденсаторы 6. В следующий полупериод закрываются входные транзисторные ключи 4 и 5 и открываются все нагрузочные транзисторные ключи 8, таким образом промежуточные конденсаторы 6

включаются через нагрузочные транзисторные ключи 8 и диоды 7П72п-1 параллельно

выходному конденсатору 9, заряжают последний и отдают энергию в нагрузку. В следующих тактах работа преобразователя

аналогична. На выходном конденсаторе 9 и, соответственно, выходе преобразователя будем иметь напряжение, равное

Увых Uc - UHK - Уд,(1)

где Uc - напряжение на одном промежуточном конденсаторе 6;

UHK - напряжение насыщения одного нагрузочного транзисторного ключа 8;

Од - падение напряжения на одном диоде 7П72п-1. Диоды 7-17n-i обеспечивают развязку конденсаторов 6 при их параллельном включении. Дроссель 1 ограничивает значение зарядного тока в первый момент включения преобразователя. Гальваническая развязка входного и выходного напряжений обеспечивается работой транзисторных ключей 4, 5 и 8 в противофа- зе без перекрытий. Выходной конденсатор 9 является фильтрующим, поддерживающим напряжение на нагрузке в полупериод

заряда промежуточных конденсаторов 6. Суммарное значение емкостей конденсаторов б определяется следующим образом:

г Рн+Рр UI f Uc Д U

(2)

где Рн - мощность, потребляемая нагрузкой;

Рр - мощность, потребляемая диодами 7 и ключами 8;

f - значение опорной частоты; Ди -амплитуда пульсаций на промежуточных конденсаторах 6.

Число п промежуточных конденсаторов 6 определяется следующей формулой

п- 1

п

UBX - UT4 - UT5 - X иД| - идр

I 1;

Uc

-(3)

где Ui4, Ui5 - напряжение насыщения входных транзисторных ключей 4 и 5; - падение напряжения на дросселе и диодах 7i7п-1.

Емкость одного промежуточного конденсатора равна

С.-

(4)

Приведенные соотношения справедливы при принятых следующих допущениях: AU«Uc, значения емкостей Сп промежуточных конденсаторов б равны одно другому, напряжения насыщения DHK нагрузочных транзисторных ключей 8 идентичны; падения напряжений ид на диодах 7п72п-1

идентичны.

Что касается условия Ли « Uc, то оно практически всегда выполняется, в то же время идентичных значений Cn, UHK, 11д никогда не бывает. Рассмотрим работу преобразователя при отличающихся одно от другого значениях Cn, UHK, ид.

Суммарное напряжение, до которого заряжаются промежуточные конденсаторы 8, определя ется следующим образом:

п-1

2 Uc uBX-E иД|1 1

- UT4 - UT5 - идр.(5)

Первоначально в зарядный полупериод распределение напряжения 2 Uc на конденсаторах 8 произойдет обратно пропорционально значениям их емкостей, и в имеющейся цепочке последовательно включенных конденсаторов может быть выражено как

2 Uc

Uc

(6)

Cn 2 (Cm) 1

1 1

Затем в разрядный полупериод конденсаторы 8 включаются параллельно и разряжаются на выходной конденсатор 9 и нагрузку. Причем, каждый конкретный конденсатор разряжается на величину, обратно пропорциональную его емкости и величине падений напряжения на своих диодах и транзисторных ключах (идп + инкп)- Затем конденсаторы снова подключаются к UBX и произойдет распределение разности входного и остаточного напряжений на конденсаторах обратно пропорционально значениям екостей и т.д. В течение нескольких тактов на выходе преобразователя устанавливается номинальное значение напряжения, а на каждом отдельном промежуточном конденсаторе 8 напряжение устанавливается равным

Ucn UBblX+ UHKn+UAn,(7)

где UHKIV идп - остаточное напряжение на нагрузочном транзисторном ключе и диоде, коммутирующие конкретный конденсатор . Т.е. каждый конденсатор заряжается до напряжения, равного сумме выходного и падению напряжения на своих коммутирующих диодах (идп) и транзисторных ключах

(UHKn).

Таким образом, в установившемся режиме, на выходах каждого нагрузочного транзисторного ключа 8 и диодов 7п,...,72п-1, подключенных к соответствующему промежуточному конденсатору, напряжения будут практически равны. Конденсаторы будут заряжаться дополнительно к Ucn на величину AU f(Cn). Следовательно, в работе преобразователя будут участвовать все

конденсаторы, энергия отдаваемая каждым приблизительно одинакова и мало зависит от их емкостей:

Е «CnAU-Ucn.(8)

Использование в преобразователе промежуточных конденсаторов с небольшим допуском на номинальные значения емкостей позволит выравнять значения импульсных токов в транзисторных ключах 8.

Таким образом, введение в преобразователь постоянного напряжения-новых элементов и связей позволило расширить область применения преобразователя, т.е. включение двух идентичных преобразователей параллельно на одну нагрузку при подаче на их входы от автогенератора противофазных частот позволяет получить двухтактную схему, что обеспечивает при незначительной емкости выходного конденсатора хорошее качество выходного напряжения. Предлагаемая схема допускает параллельное включение преобразователей без дополнительного симметрирования, что важно при разработке унифицированных источников электропитания. Использование в предлагаемой схеме быстродействующих с малыми остаточными напряжениями электрорадиоэлементов (транзисторов, диодов) дает возможность иметь преобразователь с очень высоким КПД, а это при

отсутствии в схеме трансформатора приведет к снижению массогабаритных характеристик и, как следствие, более высокому уровню микроминиатюризации такого класса устройств.

Формула изобретения Преобразователь постоянного напряжения, содержащий входные и выходные выводы для подключения соответственно

источника питания и нагрузки, входной транзисторный ключ, п промежуточных конденсаторов, 2п-1 диодов, п нагрузочных транзисторных ключей, выходной конденсатор, включенный между выходными выводами, и схему управления, причем п промежуточных конденсаторов включены последовательно и поочередно с п-1 прямо смещенными диодами, отличающий- с я тем, что, с целью расширения области

применения, в него дополнительно введены дроссель и второй входной транзисторный ключ, а схема управления выполнена в виде последовательно включенных автогенератора и предварительного усилителя с транс- форматорным выходом, обмотки которого образуют шесть выходов, причем к первому и второму выходам усилителя подключены соответственно объединенные попарно базы и эмиттеры первых входного и нагрузоч- ного транзисторных ключей, коллектор первого входного транзисторного ключа соединен через дроссель с входным выводом для подключения плюса источника питания, его эмиттер - с верхней обкладкой первого промежуточного конденсатора, нижняя обкладка n-го промежуточного конденсатора подключена к общей точке соединения эмиттера второго входного транзисторного ключа с третьим выходом предварительного усилителя, четвертый выход которого подключен через прямо смещенный n-й диод к нижней обкладке первого промежуточного конденсатора и непосредственно к нижней обкладке выходного конденсатора и общей точке соединения эмиттеров 2п нагрузочных транзисторных ключей, каждый из которых коллектором подключен к нижней

обкладке одного из соответствующих 2п

промежуточных конденсаторов, каждый из которых верхней обкладкой соединен через один из соответствующих (п+1),...,(2п-1) прямо включенных диодов с коллектором первого нагрузочного транзисторного ключа и верхней обкладкой выходного конденсатора, а общая точка соединения баз 2п

нагрузочных транзисторных ключей подключена к пятому выходу предварительного усилителя, шестой выход которого подключен к базе второго входного транзисторного ключа, соединенного с входным выводом для подключения минуса источника питания.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве источника питания с пониженным уровнем постоянного напряжения. Цель изобретения - расширение области применения пре,Вх образователя. Преобразователь состоит из цепочки, включающей последовательно поочередно соединенные конденсаторы 6 и диоды 7. Эта цепочка через последовательно соединенные входной транзисторный ключ 4 и дополнительно введенный дроссель 1,а также через дополнительно введенный входной транзисторный ключ 5 подключена к источнику постоянного напряжения. С помощью транзисторных ключей 8 совместно с указанными ключами 4 и 5, диодов 7 и схемы управления, состоящей из последовательно соединенных автогенератора 2 и предварительного усилителя 3 с трансформаторным выходом, обеспечивается такой режим работы преобразователя, который позволяет использовать параллельное включение двух идентичных устройств, включение по двухтактной схеме и обеспечивает гальваническую развязку между источником питания и нагрузкой. 1 ил. ел с