Преобразователь постоянного напряжения Советский патент 1992 года по МПК H02M7/537 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах вторичного электропитания для преобразования постоянного напряжения.

Известен преобразователь постоянного напряжения, содержащий четыре транзистора, соединенных по мостовой схеме и зашунтированных обратными диодами, в котором обеспечивается снижение динамических потерь при включении путем введения демпфирующего дросселя. Запасенная энергия дросселя с помощью дополнительного диода рассеивается на резисторе, запасенная энергия конденсатора, включенного через диод параллельно транзистору, рассеивается на резисторе при открытом состоянии транзистора.

Такой преобразователь имеет низкие КПД и коэффициент использования транзисторов потоку и напряжению, особенно при

высоких уровнях напряжений источника питания.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является преобразователь, выполненный по мостовой схеме, включающий в себя четыре транзистора, зашунтированных обратными диодами. В диагональ моста включены демпфирующий конденсатор и параллельно ему последовательно соединенные датчик тока, силовой трансформатор и демпфирующий дроссель, а параллельно трансформатору и демпфирующему дросселю включен дополнительный дроссель. Кроме того, преобразователь включает схему управления, связанную с датчиком тока.

Основным недостатком преобразовате- } ля является низкая надежность, связанная с перегрузкой по току транзисторов при включении. Это вызвано тем, что при каж-.

Х|

Јь

1.Я

fO &

Ы

дом первоначальном запуске преобразова теля, когда демпфирующий конденсатор разряжен,происходит его зарядка через открытые транзисторы током, определяемым внутренним сопротивлением транзисторов. При этом датчик тока совместно с нагрузкой шунтирован демпфирующим конденсатором. Защитные фуйк-ции схемы управления по току исключены. В этой связи проблематично получение больших мощностей в нагрузке. Ограничение регулирования выходной мощности на повышенных частотах связано с наличием большой паузы между управляющими импульсами, определяемой процессами перезарядки- демпфирующего конденсатора через дополнительный дроссель и цепи нагрузки, сопротивление которой существенно увеличивается при малых токах нагрузки.

Цель изобретения - повышение надежности и расширение пределов регулировки выходной мощности за счет улучшения условий выключения транзисторов преобразователя.

Поставленная цель достигается тем, что в известном преобразователе постоянного напряжения, содержащем четыре транзистора и трансформатор с последовательно соединенным дросселем, включенные по мостовой схеме, четыре диода, шунтирующих транзисторы в обратном направлении, блок управления, введены два конденсатора, две пары диодов, два ограничительных дросселя, а в трансформатор введены две дополнительные обмотки, при этом конденсаторы через.введенные диоды первой пары включены параллельно двум транзисторам, соединенным одноименными выводами, параллельно конденсаторам включены цепочки из последовательно соединенных дополнительной обмотки трансформатора, ограничительного дросселя и диода второй пары, базы транзисторов подключены к выводам блока управления.

При этом импульсы управления, подаваемые на первый транзистор каждого плеча, имеют длительность больше длительности импульса управления вторым транзистором.

Передача запасенной энергии демпфирующих конденсаторов и дросселя в нагрузку при открытом состоянии первых транзисторов обеспечивает их последующее выключение при малых токах в отсутствии постоянного напряжения, повышает КПД и надежность преобразователя и позволяет уменьшить электромагнитное излучение за счет формирования синусоидальных токов при переключениях.

На фиг,1 представлен преобразователь постоянного напряжения; на фиг.2 представлены временные диаграммы токов и напряжений в характерных точках, поясняющие работу одного плеча преобразователя. Преобразователь содержит транзисторы 1-4, соединенные по мостовой схеме, первые транзисторы 1,3 зашунтированы обратными диодами 5,6, выходной трансфор0 матор 7, первичная обмотка 8 которого через демпфирующий дроссель 9 подключена к выходу транзисторного моста (диагональ переменного тока). Управление транзисторами 1,3 и 2,4 осуществляется им5 пульсами разной длительности с блока уп- равл ения 10. Транзисторы 1,3 открыты более длительное время по отношению к открытому состоянию транзисторов 2,4. Параллельно транзисторам 1,3 включены де0 мпфирующие конденсаторы 11,12, через вторые диоды 13,14. Параллельно конденсаторам 11,12, включены их зарядные цепи из последовательно включенных дополнительной обмотки 15,16 трансформатора 7, огра5 ничительных дросселей 17,18 и разделительных диодов 19,20. При этом раздели- тепьные диоды 19,20 включены согласно с вторыми диодами 13,14, а дополнительные обмотки 15,16 - противофазно. Источник

0 питания 21 подключен ко входу транзисторного моста (диагонали постоянного напряжения).

Формирование управляющих напряжений возможно самыми разнообразными ус5 тройствами: программируемыми таймерами, линиями задержки и т.д.

На фиг.2 приняты следующие обозначения: IKL 1к4, UKI, UK4, 1)б1, 11б4 - напряжение и ток транзисторов 1,4; Uia - напряжение на

0 конденсаторе 12; he - ток дросселя 18; IG - ток через диод 6; tu - номинальная длительность импульсов управления транзисторами 2,4; тз - время, на которое задерживается открытое состояние транзисторов 1 и 3 для

5 обеспечения заряда конденсаторов 11,12.

Преобразователь работает следующим образом. В исходном состоянии транзисторы 1,2,3,4 закрыты, демпфирующие конденсаторы 11,12 разряжены. На транзисторы

0 1,4 синхронно подаются отпирающие импульсы Uei; U64, через демпфирующий дроссель 9 и первичную обмотку 8 нарастает ток со скоростью, определяемой индуктивностью демпфирующего дросселя 9, парамет5 рами трансформатора 7 в целом зарядной цепью нагрузки. Одновременно происходит зарядка демпфирующего конденсатора 12 через разделительный диод 20, дополнительный ограничительный дроссель 18 от дополнительной вторичной обмотки 16

трансформатора 7, являющейся источником напряжения, Отношение витков первичной обмотки 8 трансформатора 7 к виткам каждой дополнительной обмотки 15,16 выбирается равным двум или несколько больше. Во время открытого состояния транзистора 4 происходит резонансная зарядка демпфирующего конденсатора 12 до почти удвоенного значения напряжения на дополнительной обмотке 16. При достижении напря- жения на конденсаторе 12, равного напряжению источника питания 21, избыточная запасенная энергия в ограничительном дросселе 18 передается в нагрузку по цепи: диоды 20,14 - транзистор 1 - дроссель 9 - первичная обмотка 8 трансформатора 7 - дополнительная обмотка 16 - дополнительный дроссель 18.

При этом к обмотке 8 приложено напряжение, примерно равное Епит, напряжение в обмотках 15,16 составляет около 1 /2 Епит Зарядка другого демпфирующего конденсатора 11 не происходит, поскольку к диоду 19 приложено обратное напряжение от обмотки 15. При снятии управляющего сигнала с транзистора 4 последний начинает выключаться. Демпфирующий конденсатор 12 разряжается через открытый еще транзистор 1 на дроссель 9 и трансформатор 7 и является источником напряжения для на- грузки. Скорость разрядки конденсатора 12 определяет скорость нарастания напряжения на транзисторе 4 С учетом времени выключения транзистора 4 можно обеспечить выключение при минимальном напря- жении на транзисторе, а следовательно, при малых динамических потерях мощности в транзисторе. После разрядки конденсатора 12 до нулевого значения запасенная энергия в демпфирующем дросселе 9 и трансформаторе 7 замыкается через диод 6 и открытый транзистор 1 и передается в нагрузку. После передачи энергии дросселя 9 в нагрузку ток в нем уменьшается практически до нуля, снимается управляющий сиг- нал с транзистора 1. последний выключается при малом токе, определяемом током намагничивания трансформатора. Замыкание цепи тока намагничивания во время паузы происходит через соответствующие диодные цепи: 6,22 и 5,23. Поскольку цепи 16,18,20,12 разделены диодом 14, процессы в них определяются параметрами зарядного контура, образованного этими элемента

ми. Обмотки 15 и 16 являются источниками напряжения в определенное время для ре зонансной зарядки конденсаторов 11, 12

В предлагаемом преобразователе максимальное напряжение-на транзисторе при переключениях гарантируется равным напряжению источника питания.

При подаче управляющих сигналов на другую пару транзисторов 3,2 процесс работы преобразователя аналогичен вышеописанному. При этом в работе участвуют зарядная цепь, состоящая из диода 19, дросселя 17, дополнительной обмотки 15, демпфирующего конденсатора 11, диода 13, цепь рекуперации избыточной энергии дросселя 17, диоды 19,13, транзистор 3, трансформатор 7, дроссель 9, дополнительная обмотка 15 трансформатора 7. Таким образом, за счет разделения во времени выключения транзисторов каждого плеча моста и организации условий выключения транзисторов при малых токах и напряжениях исключаются перегрузки транзисторов при переключениях, фиксируется максимальное напряжение ,на транзисторах при переключениях, равное напряжению источника питания, и гарантируются безопасные условия работы транзисторов как в процессе работы, так и при первоначальном запуске

Формула изобретения Преобразователь постоянного напряжения, содержащий четыре транзистора и трансформатор с последовательно соединенным дросселем, включенные по мостовой схеме, четыре диода, шунтирующих транзисторы в обратном направлении, блок управления, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности за счет улучшения условий выключения транзисторов, введены два конденсатора, две пары диодов, два ограничительных дросселя, а в трансформатор введены две дополнительные обмотки, при этом конденсаторы через введенные диоды первой пары включены параллельно двум транзисторам, соединенным одноименными выводами, параллельно конденсаторам включены цепочки из последовательно соединенных дополни тельной обмотки трансформатора, ограни ченного дросселя и диода втором введенно1 пары, базы транзисторов подключены к вы водам блока управления.

Использование: системы вторичного электропитания. Сущность изобретения: преобразователь содержит транзисторы (1 - 4), диоды (5,6,22,23), трансформатор (7), дроссель (9) и блок управления (10). Введены два конденсатора (11,12), две пары диодов