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 всего транзистор- ного ключа. Другим недостатком рассматриваемого устройства являются его низкие частотные свойства (или быстродействие), что объясняется тем, что ключевой

транзистор имеет большие времена выключения из-за пассивного его выключения.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство, содержащее блок управления с трансформаторным выходом, ключевой транзистор, токозадающий резистор, первый диод, фиксирующий диод, обратный диод, 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 накопиVJ

СП

Jb

тельного дросселя-трансформатора включена между катодом фиксирующего диода и коллектором ключевого транзистора, а его вторичная обмотка подключена к база-эмит- терному переходу ключевого транзистора через последовательно соединенные первый диод и первый резистор, второй резистор включен между анодом фиксирующего диода и базой ключевого транзистора, катод обратного диода соединен с первым выходом блока управления.

Одним из недостатков указанного устройства являются невысокие удельные мас- согабаритные показатели вследствие использования большого числа элементов, а также наличия 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 токоогра- ничителькых цепей запаса энергии и невысокие частоты преобразования, особенно при высоком напряжении на шинах питания, ограничиваемые частотными свойствами фиксирующего диода.

Целью изобретения является повышение КПД и надежности.

На фиг.1 приведена схема стабилизированного преобразователя постоянного на- пряжения; на фиг.2 - временные диаграммы напряжений и токов, поясняющие его работу.

Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения содержит силовую 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, включающий транзистор 10 и трансформатор 11, дополнительный транзистор 12, широтно-импульсный модулятор 13, делитель напряжения 14, пороговый элемент 15 и одновибратор 16. Блок управления снабжен четырьмя выходами, с первым из которых соединен первый вывод резистора 3, с вторым - первый вывод резистора 4, эмиттер ключевого транзистора 2 и один из входов силовой части 1, с третьим - один из выводов дросселя 6, с четвертым - катод диода 5, анод которого соединен с другим выводом дросселя 6. Другие вывода резисторов 3 и 4 соединены с базой ключевого транзистора 2, коллектор которого соединен с другим входом силовой части 1.

В блоке управления первый выход ши- ротно-импульсного модулятора 13 соединен с базой транзистора 10, 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 соединен с выходом делителя напряжения, входами подключенного к первому 8 и вто0 рому 9 питающим входам блока управления 7, выход порогового элемента через одно- вибратор 16 соединен с базой дополнительного транзистора, эмиттер которого соединен с первым питающим входом 8 бло5 ка управления 7, а коллектор - с третьим выходом блока управления. Первичная обмотка трансформатора 11 включена между первым питающим входом блока управления и коллектором транзистора 12, который

0 соединен с четвертым выходом блока управления 7, вторичная обмотка трансформатора 11 соединена с первым и вторым выходами блока управления 7.

На фиг.2 приняты следующие обозначе5 ния:

17-напряжение управляющего сигнала с первого выхода широтно-импульсного модулятора 13;

18- эпюры напряжения на первом и 0 втором входах порогового элемента 15;

19- напряжение на выходе одновибра- тора 16;

20- напряжение коллектор-эмиттер транзистора 10;

5 21 - ток через дроссель 6;

22- ток намагничивания (холостого хода) сердечника трансформатора 11, приведенный к первичной обмотке;

23- напряжение на вторичной обмотке 0 трансформатора 11;

24- ток через первичную обмотку трансформатора 11;

25- ток через вторичную обмотку трансформатора 11.

5 За счет исключения база-коллекторной связи и формирования выключающего импульса тока ключевого транзистора заданной длительности через первичную обмотку трансформатора блока управления обеспе0 чивается повышение КПД, надежности при общем упрощении схемы электронного транзисторного ключа стабилизированного преобразователя постоянного напряжения, расширение диапазона изменений питаю5 щего 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, длительностью tcrt2 (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 в интервалы времени . В момент времени ti по сигналу порогового элемента 15 одно- вибратор 16 формирует на своем выходе сигнал низкого уровня длительностью ti-ts, который открывает дополнительный транзистор 12.

В интервалы времени первичная обмотка трансформатора 11 блока управления 7 подключена к источнику вспомогательного напряжения - клеммы 8 и 9. При этом на вторичной обмотке трансформатора 11 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 ti-t2 включенного дополнительного транзистора 12 происходит накопление энергии в дросселе 6 за счет тока, протекающего по цепи коллекторно- эмиттерный переход дополнительного транзистора 12 - 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 LMSKC. .

В момент времени t2 транзистор 10 закрывается и ток намагничивания трансформатора 11 начинает протекать по цепи второй выход блока управления 7 - параллельная цепь, образованная резистором 4 и база-эмиттерным переходом ключевого транзистора 2, - резистор 3 - первый выход блока управления 7. Кроме того, ток, накопленный в дросселе 6 др за интервал времени tt-t2, начинает протекать по цепи диод 5 - четвертый вход блока управления 7 - первичная обмотка трансформатора 11 - эмиттерно-коллекторный переход транзистора 12 - дроссель 6, наводя при этом ток во вторичной обмотке трансформатора 11, который протекает по той же цепи и в том же направлении, что и i. Под действием этих токов формируется обратное напряжение необходимой величины для форсированного выключения ключевого транзистора 2.

В момент времени т,з ток дросселя бив момент времени т.4 ток намагничивания iyrt трансформатора 11 спадают до нуля, т.е. сердечники трансформатора 11 и дросселя

6 полностью размагничиваются.

С момента времени Т описанные процессы повторяются аналогично.

Цепи передачи энергии для включения ключевого транзистора и накопления энер0 гии для его форсированного выключения разделены. Это позволяет сформировать управляющий сигнал ключевого транзистора с высокой крутизной нарастания за счет использования энергии, передаваемой

5 трансформатором 11, только для включения ключевого транзистора 2. Кроме того, процесс накопления энергии в дроссель 6 не оказывает влияния на включающий сигнал. Величина выключающего тока подбирается

0 значением индуктивности дросселя 6 и временем одновременного включения дополнительного транзистора 12 и транзистора 10 за счет изменения коэффициента деления напряжения 14.

5 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, за счет шунти0 рования база-эмиттерного перехода ключевого транзистора 2 резистором 4 исключены перенапряжения на указанном переходе и на переходе коллектор-эмиттер транзистора 10 блока управления 7. Организация це5 пей накопления энергии в дросселе 6 от вспомогательного источника позволяет упростить схему транзисторного ключа, уменьшить обратное напряжение на последовательно включенном с дросселем б дио0- де 5 до величины, близкой к нулю, выполнить дроссель однообмоточным.

В схеме обеспечивается формирование почти одинаковых (т.к. i 1ДР) выключающих импульсов напряжения ключевого

5 транзистора 2 в широком диапазоне изменений коэффициента заполнения управляющих импульсов за счет фиксированного по длительности подключения дросселя 6 к источнику вспомогательного напряжения. Это

0 позволяет обеспечить одинаково эффективное выключение ключевого транзистора в широком диапазоне изменений питающего напряжения, не расходуя лишней энергии при больших коэффициентах заполнения

5 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, в блок управления введены дополнительный транзистор, широтно-импульсный модулятор, делитель напряжения, пороговый элемент и

одновибратор, кроме того, блок управления снабжен третьим и четвертым выходами, причем с третьим выходом блока управления соединены коллектор дополнительного

транзистора блока управления и другой вывод дросселя, с четвертым выходом блока управления соединены коллектор транзистора блока управления и 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, 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 через одновибратор 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 - по- вышение КПД и надежности стабилизированного преобразователя. В стабилизированный преобразователь, содержащий силовую часть 1, ключевой транзистор 2, резисторы 2 и 3, диод 5, дроссель 6 и блок управления 7 с транзистором 10 и трансформатором 11, введены дополнительный транзистор 12, широтно-импульс- ный модулятор 13, делитель напряжения 14, пороговый элемент 15, одновибратор 16. За счет исключения база-коллекторной связи и формирования выключающего импульса тока ключевого транзистора заданной длительности через первичную обмотку трансформатора блока управления улучшается динамика переключения и обеспечивается повышение надежности при общем упрощении схемы транзисторного ключа, расширение диапазона рабочих напряжений. 2 ил.

1Ъ

Vunfii

V,

кнонак(-Пг1 - гч

l/SCn-Пц i

LjlfHAKC

ZS

Utc -nti I

J

Фиг. 2

Редактор О. Стенина

Составитель С. Коняхин

Техред М.МоргенталКорректор О. Кундрик

(ijWI9KC +i ApMOKt)

fa)-Rn Veen