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

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразователям напряжения вторичных источников питания, работающих от сети постоянного тока с резко меняющимся напряжением, например от выпрямленной промышленной сети переменного тока, и может быть использовано в автоматике телемеханике и средствах вычислительной техники в качестве преобразователя напряжения вторичного источника питания.

Известен преобразователь напряжения, содержащий силовой транзисторный ключ, накопительный трансформатор, у

которого первичная обмотка подключена между коллектором силового транзисторного ключа и потенциальным выводом выпрямителя сетевого напряжения, обмотка положительной обратной связи соединена первым выводом через дроссель с базой силового транзисторного ключа, а вторым выводом через последовательно соединенные резистор и конденсатор, зашунтиро- ванный двумя диодами, - с эмиттером силового транзисторного ключа, вторичная обмотка через выпрямитель, емкостной накопитель и сглаживающий фильтр соединена с цепью нагрузки,

1

iO

Јп

х

30

датчик тока и тиристор, являющийся одновременно компаратором напряже- ния и элементом принудительного запирания силового транзисторного ключа последнее совместно с накопительным конденсатором.

Недостатками такого преобразователя являются изменение порога срабатывания компаратора напряжения, выполненного на тиристоре, при изменении условий окружающей среды; ограниченность частотного диапазона преобразователя ввиду необходимости применения высокочастотного тиристора; необходимость первичного запуска от сети и последующее его влияние на работу преобразователя.

Известен преобразователь напряжения .содержащий накопительный трансформатор, силовой транзистор, пускоч вой узел, выпрямительные диоды и сглаживающие конденсаторы цепей нагрзок, времязадающий конденсатор, первый и второй резисторы, накопительный конденсатор, запирающий транзистор , ,мпаратор, выполненный по схеме- транзисторного аналога однопереход- ного транзистора, согласующий блок, вспомогательный выпрямитель, первый и. второй источники опорного напряжения, первый и второй управляющие транзисторы, измерительный конденсатор. При этом в трансформаторе наряд с первичной, базовой и нагрузочной обмотками имеются управляющие и измерительные обмотки.

Основным недостатком данного преобразователя является его относительная сложность.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является преобразователь напряжения, содержа- .щий силовой транзисторный ключ, накопительный трансформатор с немагнитным зазором в магнитопроводе, первичная обмотка которого одним выводом соединена с источником питания, а другим - с коллектором силового транзисторного ключа, эмиттер которого соединен через резисторный датчик тока с общей шиной, а через резистор - с транзисторным компаратором напряжения, выход которого подключен между общей шиной и базой силового транзисторного ключа, с которой сое- динен также через параллельно включенные диод и конденсатор первый вывод обмотки положительной обратной связи накопительного силового транс

1 ,

. у

15

20

7359804

форматора, второй вывод которой соеди-/ нен с общей шиной.. ,

Недостатками известного преобразо- вателя напряжения являются: относительно большое время запирания силового транзисторного ключа, так как транзисторный компаратор по входу управляется током эмиттера силового

IQ транзисторного ключа, запирание которого приводит также к закрыванию компаратора,т.е. к взаимозависимости; при относительно больших токах в первичной обмотке накопительного силового трансформатора и высоких напря-- жениях уменьшается надежность работы преобразователя из-за затруднений обеспечения требуемых условий запирания силового транзисторного ключа.

Целью изобретения является обеспечение условий надежного запирания силового транзисторного ключа и повышение его быстродействия, а также уменьшение динамических потерь.

25 Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь постоянного напряжения в постоянное дополнительно введены вспомогательные выпрямитель и емкостной накопитель, а компаратор напряжения выполнен совмещенным с триггером, при этом компаратор напряжения соединен выходом с управляющим входом запирающего транзистора, а выводом питания - с вспомогательным емкостным накопителем, который через последовательно соединенные четвертый резистор и вспомогательный выпрямитель подключен к первому выводу обмотки положительной обратной связи накопительного силового трансформатора, второй вывод которой подключен к эмиттеру силового транзисторного ключа с

Известное устройство использует принцип кратковременного призакрыва45 ния силового транзисторного ключа и последующее его закрывание за счет регенеративной цепи положительной обратной связи,а это значит, что при различной величине тока, проте50 кающего через силовой транзисторный ключ и первичную обмотку накопиг/зль- ного силового трансформатора, электромагнитные процессы будут протекать.по разному (по длительности) и поэтому

55 запирание силового транзисторного i ключа будет различно. При относительно высоких напряжениях питания воз- никают условия для вторичного про- боя в силовом транзисторе и как ре30

35

40

л17

зультат - неуправляемость, а иногла и выход из строя силового транзистор ного ключа.

Предлагаемый преобразователь использует иной принцип, а именно при достижении тока через силовой гран-, эисторный ключ заданной величины компаратор напряжения формирует сигнал на открывание запирающего транзистора, который не зависит от тока, протекающего через сиговой транзисторный ключ, и длительность этого сигнала выбирается достаточной для надежного запирания указанного ключа. Это позволяет создать простое и надежное устройство, не чувствительное к изменениям входного напряжения с относительно малыми динамическими потерями на силовом транзисторном ключе.

На фиг.1 представлена функциональная схема преобразователя постоянного напряжения в постоянное; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Преобразователь постоянного напряжения в постоянное содержит силовой транзисторный ключ 1, датчик тока 2, компаратор напряжения 3, выполненный совмещенным с триггером и подключенный входом через резистор k к точке соединения эмиттера силового транзисторного ключа 1 и датчика тока 2, выходом. - к базе запирающего транзистора 5, а выводом питания - к дополнительному вспомогательному емкостному накопителю 6, который через последовательно соединенные вспомогательный выпрямитель(диод) 7 и резистор 8 подключен к первому выводу обмотки положительной обратной связи 9 накопительного трансформатора 10, с этим же выводом через последовательно соединенные резистор 11 и цепь 12, состоящую из диода 13 и конденсатора Н соединена база силового транзисторного ключа 1, к которой подключен также коллектор запирающего транзистора 5, а коллектор силового транзисторного ключа 1 подключен к источнику пи- тания 15 через первичную обмотку 16 накопительного силового трансформатора 10, вторичная обмотка 17 которого срединена с нагрузкой 18 через выпрямитель 19, емкостной накопитель 20 и сглаживающий фильтр 21, цепь отрицательной обратной связи 22, подключенную между нагрузкой 18, на которой стабилизируется напряжение, с одной стороны и входом компаратора 3 и по3U80 6

тенциальным выводом вспомогательно о источника питания 23, состоящего, например, из конденсатора и диода 25, подключенного к первому выводу обмотки положительной обратной связи 9 накопительного силового трансформатора 10. При этом база силового транзисторного ключа t через резне .ц торы }1 и 26 соединена с потенциальным выводом источника питания 15, а база запирающего транзистора 5 через резистор 27 подключена к точке соединения эмиттера силового транзисторjc ного ключа 1 и датчика тока 2.

Работает устройство следующим образом .

В момент включения источника питания 15 (t0 на фиг.2,а) подается нап2о ряжение на коллектор силового транзисторного ключа 1 через первичную обмотку 16 накопительного силового трансформатора 10 и на его базу - через резисторы 11 и 26. В этот же мо5 мент силовой транзисторный ключ 1 открывается до насыщения, так как по цепи источник питания 15, первичная обмотка 16 накопительного силового трансформатора 10, переход коллектор-эмиттер силового транзис- , торного ключа 1, датчик тока 2, общая шина, источник питания 16 начинает протекать.

За счет положительной обратной связи по цепи обмотка положительной 5 обратной связи 9 накопительного силового трансформатора 10, цепь 12, резистор 11, переход база-эмиттер силового транзисторного ключа 1, обмотка положительной обратной- связи 9 0 также начинает протекать ток. Развиват ется лавинообразный процесс, в результате которого силовой транзисторный ключ 1 полностью открывается (см,фиг.2,б) и через него, первичную 5 обмотку 16 накопительного силового трансформатора 10 и датчик тока 2 протекает линейно возрастающий ток, падение напряжения от которого на датчике тока 2 формирует пилообраэ- 0 ную составляющую сигнала U (см. фиг.2,в). Постоянная составляющая сигнала U- в это время равна нулю, так как цепь отрицательной обратной связи 22 имеет большое солротивле- 5 ние, поскольку напряжение на нагрузке 18 к окончанию первого импульса равно нулю. Одновременно от обмотки положительной обратной связи 9 через вспомогательный дополнительный

выпрямитель 7 и резистор 8 заряжается вспомогательный дополнительный емкостной накопитель 6 (см.фиг.3, г), зачитывающий компаратор напряжения 3. Величина его емкости 28 выбирается такой, чтобы накопленной энергии было достаточно для поддержания в открытом состоянии запирающего транзистора 5 в течение заданного времени, которое зависит и от резистора 29 емкостного накопителя 6. В момент времени t (фиг.2,в), когда величина сигнала U достигнет величины Unпорога срабатывания компаратора напряжения 3, последний включается и остается во включенном состоянии до тех пор, пока не снимется с него напряжение питания так как он выполнен совмещенным с триггером, т.е. пока не разрядится дополнительный вспомогательный емкостной накопитель 6 {см.фиг.2,г). Практически в течение этого времени находится в открытом состоянии запирающий транзистор 5 (см.фиг.2,д), который закорачивает базу силового транзисторного ключа 1 с общей шиной, тем сйным запирая его.

Поскольку внутреннее сопротивление открытого запирающего транзистора 5 мало, то процесс запирания силового транзисторного ключа 1 протекает быстро (t на фиг.2,б) и не зависит от сигнала на датчике тока 2. В момент времени t,, закрывания силового транзисторного ключа 1 в первичной обмотке 16 накопительного силового трансформатора 10 возникает ЭДС самоиндукции Uk3 (см.фиг.2,б), вызывающая протекание тока по цепи первый вывод вторичной обмотки 17, выпря- 40 шается крутизна пилообразной части

митель 19, емкостной накопитель 20, второй вывод вторичной обмотки 17, который заряжает емкостной накопитель 20 и питает нагрузку 18 после предварительной фильтрации сглаживающим фильтром 21 (см.фиг.2,е). По мере передачи энергии, накопленной в силовом накопительном трансформаторе 10, в цепь вторичной обмотки 17 напряжение в базовой цепи Ug силового транзисторного ключа 1 становится менее отрицательным и в момент времени t (см,фиг.2,ж) оно достигает напряжения, при котором силовой транзисторный ключ 1 входит в активную зону, но развитию лавинообразного процесса его открывания препятствуют открытое состояние выпрямителя 19 и разряженный конденсатор 28

напряжения Us (момент времени t.,,, на фиг.2,в), что приводит к увеличению времени открытого состояния силового транзисторного ключа 1 (мо

моt,i на фиг.2,б)

45 мент времени

настолько, что вольт-секундная площадь импульса напряжения остается постоянной. Таким образом, автоматически обеспечивается инвариантнос

50 выходного напряжения к изменениям н ряжения Uutl источника питания 15.

На фиг.1 представлено также возможное схемное, решение компаратора напряжения 3. Компаратор напряжения

55 3- состоит из усилителя, выполненног на двух транзисторах 30 и 31 разног типа проводимости, и транзисторного ключа, выполненного на транзисторе 32. Резисторы 33 и 3 обеспечивают

5

дополнительного емкостного накопителя 6. В момент времени t создаются условия для лавинообразного процесса открывания силового транзисторного ключа 1 и он полностью открывается (см.фиг.2,б). Интервал времени можно регулировать в некоторых пределах резистором 8, так как он позволяет регулировать ток заряда конденсатора 28 дополнительного емкостного накопителя 6 и исключать перегрузку в момент запуска силового транзисторного ключа 1. Далее описанные процессы включения и выключения силового

транзисторного ключа 1 и передачи энергии в цепь нагрузки повторяются, По мере- заряда емкостного накопителя 20 напряжение на нагрузке увеQ личивается и по достижении заданного значения включается в цепь отрицательной обратной связи 27, которая добавляет в сигнал Ug- постоянную составляющую Up (см.фиг.2,в после мо5 мента 15) такой величины, чтобы длительность открытого состояния силового транзисторного ключа 1 была достаточной для поддержания на нагрузке 18 заданной величины напряжения ий (см. фиг.2,е). С увеличением напряжения

0

5

UUn источника питания 15 (см.фиг.2,а момент времени ts) увеличивается крутизна наклона пилообразной части напряжения Ug- (момент времени tg- to на фиг.2,б) настолько, что вольт-секундная площадь импульса напряжения остается постоянной. С уменьшением напряжения Uuri источника питания 15 (см.фиг.2,а, момент времени t10) наблюдается обратная картина - уменьнапряжения Us (момент времени t.,,, на фиг.2,в), что приводит к увеличению времени открытого состояния силового транзисторного ключа 1 (,i на фиг.2,б)

5 мент времени

настолько, что вольт-секундная площадь импульса напряжения остается постоянной. Таким образом, автоматически обеспечивается инвариантность

0 выходного напряжения к изменениям напряжения Uutl источника питания 15.

На фиг.1 представлено также возможное схемное, решение компаратора напряжения 3. Компаратор напряжения

5 3- состоит из усилителя, выполненного на двух транзисторах 30 и 31 разного типа проводимости, и транзисторного ключа, выполненного на транзисторе 32. Резисторы 33 и 3 обеспечивают

температурные режимы резисторов 31 и 32 соответственно. При этом базы транзисторов 30 и 31, образующих усилитель, соединены с коллекторами транзисторов противоположной проводимости, образуя транзисторный аналог тиристора, управляющий вход которого подключен по входу компаратора напряжения, а анод - к базе транзисторно го ключа 32, эмиттер которого соединен с выводом питания компаратора напряжения 3, а коллектор - с выводом выхода компаратора напряжения 3.

Работает схема следующим образом.

При достижении сигнала и напряжения открывания транзистора 30 он приоткрывается и его коллекторный ток втекает в базу транзистора 31, приоткрывая его, что способствует увеличению базового тока транзистора 30. Развивается лавинообразный процесс, в результате которого оба тран зистора полностью открываются и в базу ключевого транзистора 32 втекает ток, открывающий его. Открытый транзисторный ключ 32 открывает запирающий транзистор 5. Величиной резистора 29 можно подобрать необходимый ток для надежного открывания запирающего транзистора 5, а величиной емкости. 28 - время, в течение которого надо поддерживать запирающий транзистор 5 в открытом состоянии, чтобы надежно закрыть силовой транзисторный ключ 1.

Использование предлагаемого технического решения позволит существенно повысить надежность работы силового транзисторного ключа 1 путем обеспечения условий для надежного его запирания, а также уменьшить динамические потери посредством более быстрого запирания этого ключа.

Таким образом, общественно-полезный эффект, получаемый от предлагаемого технического решения, состоит в улучшении технических характеристик преобразователей напряжения.

Формула изобретения

. 1. Преобразователь постоянного напряжения в постоянное, содержащий силовой транзисторный ключ, у которого эмиттер соединен с общей шиной через резисторный датчик тока и с входом .компаратора напряжения через i первый резистор, коллектор соединен с потенциальным выводом источника питания через первичную обмотку накопительного силового трансформатора, вы0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

полненного с немагнитным зазором.в магнитопроводе, база соединена через второй и третий резисторы с потенциальным выводом источника питания и через второй резистор и параллельно включенные диод и конденсатор - с первым выводом обмотки положительной обратной связи этого трансформатора, вторичная обмотка которого через последовательно включенные выпрями- - тель, емкостной накопитель и сглаживающий фильтр соединена с целью нагрузки, запирающий транзистор, переход, коллектор -эмиттер которого включен между базой силового транзистор- ногф ключа и общей шиной, цепь отрицательной обратной связи, подключенную между клеммами стабилизированного выхода преобразователя с одной сторо-. ны и входом компаратора напряжения и потенциальным выводом вспомогательного источника постоянного напряжения с другой стороны, отличающийся тем, что, с целью обеспечения условий надежного запирания силового транзисторного ключа и . повышения его быстродействия, а также уменьшения динамических потерь, в него дополнительно введены вспомогательные выпрямитель и емкостной накопитель, а компаратор напряжения выполнен совмещенным с триггером, при этом компаратор напряжения соединен выходом с управляющим входом запирающего транзистора, а выводом питания - с вспомогательным емкостным накопителем, который через последовательно ( соединенные четвертый резистор и вспомогательный выпрямитель подключен к первому выводу обмотки положительной обратной связи накопительного силового трансформатора, второй вывод которой подключен к эмиттеру силового транзисторного ключа.

2. Преобразователь по п.1, о т - личающийся тем, что компаратор напряжения состоит из усилителя, выполненного на двух транзисторах разного типа проводимости, и транзисторного ключа, при этом базы транзисторов, образующих усилитель, соединены с коллекторами транзистороа противоположной проводимости, образуя транзисторный аналог тиристора, управляющий вход которого подключен к , входу компаратора, а анод - к базе транзисторного ключа, эмиттер которого соединен с выводом питания компаратора напряжения, а коллектор - с его выходом.

Jlmim

JP

Ifflfflh

Использование: во вторичных источниках питания, работающих от сети постоянного тока с резкоменяющимся напряжением, например от выпрямленной промышленной сети переменного тока, и может быть использовано в ав томатике, телемеханике и средствах вычислительной техники в качестве преобразователя вторичного источника питания.. Сущность изобретения: устройство содержит силовой транзисторный ключ 1, запирающий транзистор 5, цепь отоицательной обратной связи 22, силовой трансформатор 9, параллельно включенные диод 13 и конденсатор 14 - с первым выводом обмотки положительной обратной связи этого трансформатора. Введены вспомогательный выпрямитель 4 и емкостной накопитель 6. Выполнение компаратора напряжения(3)совмещенным с триггером обеспечивает надежное запирание силового транзисторного ключа и повышают быстродействие. 1 з.п.ф-лы, 2 ил. (Л

Ш

VJ9