Преобразователь постоянного напряжения в постоянное Советский патент 1992 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к электро- технике и может быть использовано преимущественно для питания радио- электронной аппаратуры общего применения, в частности для питания блоков ЭВМ.

Известен преобразователь постоянного напряжения в постоянное, содержащий трансформатор с тремя обмотками, силовой ключ, три резистора, выпрямитель, фильтр, регулирующий транзистор, а также стабилитрон.

Недостатком этого преобразователя является низкий КПД. Известен преобразователь постоянного напряжения, содержащий трансформатор с тремя обмотками, силовой ключ, выпрямитель, фильтр, регулирующий транзистор, диод, три резистора и конденсатор.

Недостатком этого известного преобразователя является невысокий КПД.

Известен также преобразователь постоянного напряжения в постоянное, содержащий трансформатор, вторичная обмотка которого соединена через выпрямитель и фильтр с выходными выводами, а первичная обмотка включена между входными выводами через силовой ключ. Его первый силовой вывод присоединен к первому входному выводу, а вход управления соединен через первый резистор с первым выводом третьей обмотки трансформатора. Имеется регулирующий транзистор, эмиттер которого присоединен к первому входному выводу, а база-эмиттерный hepexofl шунтирован вторым резистором.

-ч

Имеется также последовательная цепь из первого диода, третьего резистора и первого конденсатора, подключенного свободным выводом к первому входному выводу. Параллельно первому конденсатору подключен выход элемента гальванического разделения, входные выводы которого через узел сравнения соединены с выходными выводами. Имеются еще второй и третий диоды, второй и третий конденсаторы и метвертый резистор.

Основной недостаток известного устройства заключается в пониженном КПД.

Цель изобретения - повышение КПД

5

0

5

0

5

0

5

0

5

На фиг. 1 показана схема преобразователя; на фиг. 2 - временные диаграммы преобразователя.

Преобразователь постоянного напряжения в постоянное содержит трансформатор 1 с первой, 2 второй 3 и третьей Ц обмотками, выпрямитель 5 и фильтр 6, силовой ключ 7 первый резистор 8, регулирующий транзистор 9 и второй резистор 10. Имеется последовательная цепь из первого диода 11, третьего резистора 12 и первого конденсатора 13, подключенного свободным выводом к первому входному выводу. Параллельно конденсатору 13 подключен выход элемента 14 гальванического -разделения, входные выводы которого через узел 15 сравнения соединены с выходными выводами. Имеются еще второй 16 и третий 17 диоды, второй 18 и третий 19 конденсаторы и четвертый резистор 19. Второй вывод третьей обмотки трансформатора подключен к точке соединения первого конденсатора с третьим резистором.

Силовой ключ 7 выполнен на полевом транзисторе, исток которого является его первым силовым выводом. Точка соединения стока и первичной обмотки 2 трансформатора 1 соединена через второй конденсатор 18 и второй диод 16 с базой регулирующего транзистора 9: между его коллектором и эмиттером включен третий конденсатор 19. Коллектор транзистора 9 соединен через диод 17 с затвором полевого транзистора 7, являющегося управляющим входом силового ключа. Точка соединения второго конденсатора 18 и второго диода 16 присоединена к свободному выводу первого диода 11. Первый конденсатор 13 шунтирован четвертым резистором 19.

Элемент Н гальванического разделения выполнен на диодном оптроне, светодиод которого подключен к выходу узла 15 сравнения, а фотодиод - к первому конденсатору 13.

Преобразователь работает следующим образом.

О

В момент подачи питания конденсаторы 6, 13, 18 и 19 разряжены, а транзистор 9 заперт. Напряжение на затворе полевого транзистора 7 равно нулю, чем обеспечивается его открытое состояние. Поэтому через обмотку 2 трансформатора 1 и транзистор 7 начинает протекать ток I,

э

имеющий форму, близкую и пилообразной (фиг.2а. Диод 5 при этом заперт..так как обмотки 2 и А включены встречно, в индуктивности т, обмотки 2 накапливается энергия V 0,. На обмотке 3, включе ной согласно относительно обмотки 2, возникает напряжение f- положительной обратной связи, которое через резистор 8 поступает на затвор тран- зистооа 7 (напряжение FJ, на фиг.2в). Под действием этого напряжения возникает лавинообразный бло- кинг-процесс, в ходе которого транзистор 7 в течение ремени Ту остается в открытом состоянии до тех пор пока на конденсаторе 13 не возникнет отрицательное напряжение. Под его действием нарастание тока 1 прекра- щается и транзистор 7 запирается; процесс запирания под действием описанного выше механизма положительной обратной связи имеет лавинообразный характер (фиг.2а,б,в). В момент запир ния транзистора 7 в обмотке 2 возникает ЭДС самоиндукции, под действием которой отпирается диод 5 и энергия W передается з конденсатор 6 фильтра и далее в нагрузку.

Канал открытого транзистора 7 преставляет собой малое сопротивление, имеющее характер, близкий к линейному. Поэтому в процессе нарастания тока у падение напряжения F7 на кана- ле увеличивается, следовательно, появляется спад на вершине импульса Е поступающего на затвор (штриховые линии на фиг.26,в). Как следствие возрастает мощность, рассеиваемая в транзисторе 7, и уменьшается КПД. Для устранения этого недостатка необходима коррекция соормы импульсов EJ путем исключения (или уменьшения) спада его вершины. Для этого исполь- зуется интегрирующая цепочка в составе резистора 8 и конденсатора 13. Если на нее подается напряжение Eg от обмотки 3 в виде импульса с линейно спадающей вершиной E(t)

kt Е,(1 - --) , где k Ј 1 - постоянный

коэффициент, то на конденсаторе 19 и на затворе транзистора 7 напряжение E(t) приблизительно равно

Е5(Т) $ E(t)dt i:3t - kE3t2/2T-,. Импульс E(t) может иметь при k«; 1

5

9

Q

/9

слегка нарастающую вершину

( . 2в,д) .

Как следствие, падение напряжения на открытом канале у транзистора 7 получается практически неизменным в течение импульса - таким путем достигается уменьшение мощности рассеяния в транзисторе 7 и увеличивается КПД.

В момент запирания транзистора 7 на его стоке появляется положительный перепад напряжения, которым через диод 16 и база-эмиттерный переход транзистора 9 заряжается конденсатор 18. При этом транзистор 9 -отпирается и через него происходит разряд конденсатора 19 и напряжение Е, спадает до нуля (фиг.2д). Одновременно достигается защита тран зистора 7 от коммутационных перенапряжений .

В течение интервалов времени Т7; пока транзистор 7 открыт5 конденсатор 18 разряжается через диод 11 и резистор 12 на конденсатор 13. Наряжение Е13 на нем имеет отрицательную полярность: величина Е,9 примерно пропорциональна энергии Wz. Нарастание напряжения предотвращает неограниченный рост энергии W,, при этом обеспечивается установившийся режим работы преобразователя . Путем регулировки напряжения FJ- можно получить как регулирование значения энергии W2, так и регулирование напряжения на выходе преобразователя .

Стабилизация напряжения на выходе преобразователя (т.е. напряжения Eg на конденсаторе 6) достигается следующим образом. Напряжение Е в узле 15 сравнивается со стабильным опорным напряжением, источник которого встроен в узел 15- Если возникает тенденция возрастания напряжения Eg относительно заданного номинала, то выходной ток узла 15, проходящий через светодиод оптопа- ры I1, уменьшается, как следствие, величина обратного тока через фотодиод оптопары становится меньшей и поэтому напряжение Е,,3отрицательной полярности, сущестпующее на конденсаторе 13 начинает возрастать. В результате уменьшаются как длительность Т7 импульсов тока 12, так и энергия W2, накапливаемая в индуктивности L2 обмотки 2 трансЛормятора 1. Напряжение Fg в результате уменьшается до тех пор, пока не станет равным заданному номиналу.

Оптопара позволяет обеспечить гальваническую развязку выхода преобразователя, что расширяет функциональные возможности для его применения .

Положительный технический эффект от использования предлагаемого преобразователя состоит в повышении КПД, что достигается путем уменьшения падения напряжения на канале открытого полевого транзистора (силового ключа).

Формула изобретения

1 . Преобразователь постоянного напряжения в постоянное, содержащий трансформатор, вторичная обмотка которого соединена через выпрямитель и фильтр с выходными выводами, а первичная обмотка -включена между входными выводами через силовой ключ, первый силовой вывод которого присоединен к первому входному выводу, а вход управления соединен через первый резистор с первым выводом третьей обмотки трансформатора, регулирующий транзистор, эмиттер которого присоединен к первому входному выводу, а базоэмиттерный переход шунтирован вторым резистором, последовательная цепь из первого диода, третьего резистора и первого конденсатора, подключенного свободным выво10

17359798

дом к первому входному выводу, параллельно первому конденсатору пол ключей выход элемента гальванического разделения, входные выводы которого через узел сравнения соединены с вы- ходными выводами, а второй вывод третьей обмотки трансформатора подключен к точке соединения первого конденсатора с третьим резистором, второй и третий диоды, второй и третий конденсаторы, четвертый резистор, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, силовой ключ выполнен на полевом транзисторе, исток которого является первым силовым выводом, а точка соединения стока и первичной - обмотки трансформатора соединена через второй конденсатор и второй диод с базой регулирующего транзистора, между коллектором и эмиттером которого включен третий конденсатор, а коллектор соединен через третий диод с затвором поле25 вого транзистора, являющегося управляющим входом силового ключа, при - этом точка соединения второго конденсатора и второго диода присоединена к свободному выводу первого диода, а первый конденсатор шунтирован четвертым резистором.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что элемент гальванического разделения выполнен на диодном оптроне, свето35 диод которого подключен к входу узла сравнения, а фотодиод - к первому конденсатору.

15

20

30

Jtt a

0 Ь

V

Использование: в источниках вторичного электропитания и автоматике. Сущность изобретения: устр-во содержит трансформатор 1, вторичная обмотка k которого соединена через выпрямитель 8 и фильтр 9 с выходными выводами, силовой ключ 5, выполненный на полевом транзисторе, элемент гальванического разделения 21, выполненный на диодном оптроне. При работе преобразователя управляющее напряжение на затворе полевого транзистора 5 изменяется пропорционально току через силовые электроды полевого транзистора 5, а второй конденсатор 17 снижает динамические потери при выключении полевого транзистора 5, что повышает КПД устройства. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.i i (Я С w ел со sj СО

fy

г

о

fa 9

О

/ 1

Фин