Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения Советский патент 1992 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к электротехнике и может найти применение при создании вторичных источников питания радиоэлектронной аппаратуры.

Известен электронный транзисторный ключ, содержащий ключевой транзистор, три диода, три резистора и блок управления, включающий в себя транзистор, трансформатор с тремя обмотками, резистор и диод.

Недостатком данного устройства является значительная задержка выключения ключевого транзистора вследствие протекания паразитного отпирающего тока в базовой цепи из-за наличия барьерной емкости фиксирующего диода и, как следствие, снижение КПД и надежности электронного транзисторного ключа, а также низкие частотные свойства (или быстродействие). Это объясняется тем, что ключевой транзистор имеет большие времена выключения из-за пассивного его выключения.

Наиболее близким к изобретению является устройство, содержащее блок управления с трансформаторным выходом, ключевой транзистор, токозадающий резистор, первый диод, фиксирующий диод, об- ратныйдиод,накопительный

дроссель-трансформатор и два резистора, причем анод обратного диода подключен к базе ключевого транзистора, первый вывод токозадающего резистора соединен с первым выходом блока управления, а второй вывод-с анодом фиксирующего диода, коллектор ключевого транзистора через нагрузку соединен с первой |шиной питания, а эмиттер - с второй шиной питания и вторым выходом блока управления, первичная обмотка накопительного дросселя-трансформатора включена между катодом фиксирующего диода и коллектором ключевого транзистора, а его вторичная обмотка подключена к базаэмиттерному переходу ключевого транзистора через последовательно соединенные первый диод и первый резистор,второй резистор включён между анодом фиксирующего диода и базой ключевого транзистора, катод обратного диода с первым выходом блока управления.

Одним из недостатков указанного устройства являются невысокие удельные мас- согабаритные показатели вследствие использования большого числа элементов, а также наличие дросселя-трансформатора имеющего большие габариты и служащего для обеспечения надежной гальванической развязки высоковольтной коллекторной и низковольтной базовой цепей ключевого транзистора, особенно при построении ключевых преобразователей напряжения промышленных сетей (220/380 В). Кроме того, электронный транзисторный ключ имеет низкий КПД из-за наличия токоограничи- тельных цепей запаса энергии, а также невысокие частоты преобразования,особенно при высоком напряжении на шинах питания, ограничиваемые частотными свойства- ми фиксирующего диода.

Целью изобретения является повышение КПД и надежности стабилизированного преобразователя постоянного напряжения.

На фиг.1 приведена схема стабилизи- рованного преобразователя постоянного напряжения; на фиг,2 - диаграммы напряжений и токов, поясняющие его работу.

Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения содержит сило- вую часть 1, ключевой транзистор 2, первый 3 и второй 4 резисторы, диод 5, дроссель 6 и блок управления 7, снабженный первым 8 и вторым 9 питающими входами, содержащий транзистор 10, дополнительный тран- зистор 11, трансформатор 12, широтно-импульсный модулятор 13, делитель напряжения 14, пороговый элемент 15, логическое устройство 16.

Первый выход блока управления 7 сое- динен с началом вторичной обмотки трансформатора 12 блока управления и первым выводом резистора 3, второй выход - с концом вторичной рбмотки трансформатора 12 блока управления 7 и первым выводом ре- зистора 4, эмиттером ключевого транзистора 2 и одним из входов силовой части 1, другой вход которой соединен с коллектором ключевого транзистора 2, а выход - с управляющим входом блока управления 7, третий выход блока управления 7 соединен с коллектором дополнительного транзистора 11 блока управления и одним из выводов дросселя 6, другой вывод которого соединен с анодом диода 5, четвертый выход блока управления 7 соединен с коллектором транзистора 10 и концом первичной обмотки трансформатора 12 блока управления и катодом диода 5, начало первичной обмотки трансформатора 12 соединено с эмиттером дополнительного транзистора 11, первым питающим входом 8 блока управления 7 и одним из входов делителя напряжения 14, другой вход которого соединен с эмиттером транзистора 10 и вторым питающим входом 9 блока управления. Первый выход широт- но-импульсного модулятора 13 соединен с базой транзистора 10 и первым входом логического устройства 16, второй выход - с первым входом порогового элемента 15, а вход - с управляющим входом блока управления 7, с которым соединен выход силовой части 1, второй вход порогового элемента 15 соединен с выходом делителя напряжения 14, а выход - с вторым входом логического устройства 16, выход которого соединен с базой дополнительного транзистора 11.

На фиг.2 обозначены:

17- управляющий сигнал с первого выхода широтно-импульсного модулятора 13;

18- эпюры напряжений на первом и втором входах порогового элемента 15;

19- напряжение на выходе порогового элемента;

20- напряжение на выходе логического устройства 16;

21- напряжение коллектор-эмиттер транзистора 10 блока управления 7;

22- ток через дроссель 6;

23- ток намагничивания (холостого хода) сердечника трансформатора 12, приведенный к первичной обмотке;

24- напряжение на вторичной обмотке трансформатора 12;

25- ток через первичную обмотку трансформатора 12;

26-ток через вторичную обмотку трансформатора 12.

Сущность изобретения состоит в том, что за счет исключения база-коллекторной связи и формирования выключающего импульса тока ключевого транзистора заданной длительности через первичную обмотку трансформатора блока управления обеспечивается повышение КПД, надежности при общем упрощении схемы электронного транзисторного ключа стабилизированного преобразователя постоянного напряжения, расширение диапазона изменений питающего напряжения.

Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения работает следующим образом.

Широтно-импульсный модулятор (ШИМ) 13 блока управления 7 формирует управляющий сигнал для включения транзистора 10, длительность которого зависит от уровня выходного напряжения силовой части 1, например, длительно to-t2 (см. эпюру 17 на фиг.2). При этом на втором выходе ШИМ формируется пилообразное напряжение, которое подается на первый вход порогового элемента 15. В соответствии с уровнем напряжения, формируемого с делителя напряжения 14, пороговый элемент 15 на выходе имеет высокий уровень напряжения в интервалы времени ti-t2. В момент времени ti по сигналу порогового элемента 15 логическое устройство 16 формирует на своем выходе сигнал низкого уровня длительностью ц-Т, который открывает дополнительный транзистор 11.

В интервалы времени первичная обмотка трансформатора 12 блока управления 7 подключена к источнику вспомогательного напряжения - клеммы 8 и 9. При этом на вторичной обмотке трансформатора 12 наводится ЭДС и через база-эмиттерный переход ключевого транзистора 2 протекает прямой ток, в основном определяемый сопротивлением резистора 3. Транзистор 2 переходит в состояние высокой проводимости (открытое состояние). В интервал времени включенного дополнительного транзистора 11 происходит накопление энергии в дросселе 6 за счет тока, протекающего по цепи коллекторно-эмиттерный переход дополнительного транзистора 11 - дроссель 6 - диод 5 - коллекторно-эмиттерный переход транзистора 10. К моменту времени t2 ток в дросселе 6 и ток намагничивания сердечника трансформатора достигают максимальных значений соответственно др. макс И LMBKC.

В момент времени г транзистор 10 за- крывется и ток намагничивания трансформатора 12 начинает протекать по цепи второй выход блока управления 7 - параллельная цепь, образовавшаяся резистором

4и база-эмиттерным переходом ключевого транзистора 2 - резистор 3 - первый выход блока управления 7. Кроме того, ток, накопленный в дросселе 6 др за интервал времени , начинает протекать по цепи диод

5- четвертый вход блока управления 7 - первичная обмотка трансформатора 12 - эмиттерно-коллекторный переход транзистора 11- дроссель 6, наводя при этом ток во вторичной обмотке трансформатора 12, который протекает по той же цепи и в том же направлении, что 1и.Под действием этих токов формируется обратное напряжение

необходимой величины для форсированного выключения ключевого транзистора 2.

В момент времени ta ток др дросселя 6 и в момент времени t4 ток намагничивания

ij трансформатора 12 спадают до нуля, т.е. сердечники трансформатора 12 и дросселя 6 полностью размагничиваются.

С момента времени Т процессы повторяются аналогично описанным.

За счет исключения токоограничиваю- щего резистора в цепях накопления энергии в дросселе 6 и передачи энергии для включения ключевого транзистора 2 достигается повышение КПД. Кроме того, в предлагаемом устройстве за счет шунтирования база- эмиттерного перехода ключевого транзистора 2 резистором 4 исключены перенапряжения на указанном переходе и на переходе коллектор-эмиттер транзистора

10блока управления. Организация цепей накопления энергии в дросселе 6 от вспомогательного источника позволяет упростить схему транзисторного ключа, уменьшить обратное напряжение на последовательно

включенном с дросселем б диоде 5 до величины, близкой к нулю, выполнить дроссель однообмоточным.

В схеме обеспечивается формирование почти одинаковых выключающих импульсов

напряжения ключевого транзистора 2 в широком диапазоне изменений коэффициента заполнения управляющих импульсов за счет фиксированного по длительности подключения дросселя 6 к источнику вспомогательного напряжения. Это позволяет обеспечить одинаково эффективное выключение ключевого транзистора в широком ди- апазоне изменений питающего напряжения, не расходуя лишней энергии

при больших коэффициентах заполнения управляющих импульсов для форсированного выключения ключевого транзистора 2.

Формула изобретения Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения, содержащий силовую часть, ключевой транзистор, первый и второй резисторы, диод, дроссель и блок управления, снабженный первым и вторым питающими входами, включающий в себя транзистор и трансформатор, первичная обмотка которого включена между первым питающим входом блока управления и коллектором транзистора, эмиттер которого соединен с вторым питающим входом блока управления, вторичная обмотка трансформатора выводами соединена с первым и вторым выходами блока управления, первый вывод первого резистора соединен с первым выходом блока управления, первый вывод второго резистора соединен с вторым выходом блока управления, эмиттером ключевого транзистора и одним из входов силовой части, другой вход которой соединен с коллектором ключевого транзистора, один из выводов дросселя соединен с анодом диода, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД и надежности преобразователя, в блок управления введены дополнительный транзистор, широтно-им- пульсный модулятор, делитель напряжения, пороговый элемент и логическое устройство, кроме того, блок управления снабжен третьим и четвертым выходами, причем с третьим выходом блока управления соеди- нены коллектор дополнительного транзистора блока управления и другой вывод дросселя, с четвертым выходом блока управления соединены коллектор транзистора блока управления, а также катод диода,

вторые выводы первого и второго резисторов соединены с базой ключевого транзистора, причем в блоке управления первый выход широтно-импульсного модулятора соединен с базой транзистора и первым входом логического устройства, второй выход - с первым входом порогового элемента, а вход - с управляющим входом блока управления, с которым соединен выход силовой части, второй вход порогового элемента соединен с выходом делителя напряжения, входами соединенного с первым и вторым питающими входами блока управления, выход порогового элемента соединен с вторым входом логического устройства, выход логического устройства соединен с базой дополнительного транзистора, эмиттер;которого соединен с первым питающим входом блока управления.

Изобретение относится к электротехнике и может найти применение при создании вторичных источников питания радиоэлектронной аппаратуры. Цель изобретения - noвышение КПД и надежности. В стабилизированный преобразователь, содержащий силовую часть 1. ключевой транзистор 2, резисторы 3 и 4, диод 5, дроссель 6 и блок управления 7 с транзистором 10 и трансформатором 12, введены дополнительный транзистор 11, широтно-импульсный модулятор 13, делитель напряжения 14, пороговый элемент 15 и логическое устройство 16. За счет исключения база-коллекторной связи и формирования выключающего импульса тока ключевого транзистора заданной длительности через первичную обмотку трансформатора блока управления обеспечивается повышение КПД, надежности при общем упрощении схемы транзисторного ключа преобразователя, расширение диапазона рабочих напряжений. 2 ил. (Л С

)

Фиг. 2