Транзисторный преобразователь постоянного напряжения Советский патент 1992 года по МПК H02M7/538 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах вторичного электропитания и автоматики.

Известен транзисторный преобразователь напряжения, содержащий силовой трансформатор, вторичная обмотка которого подсоединена через выпрямитель к выходным электродам транзисторов преобразователя, управляющие переходы которых, шунтированные обратными диодами, соединены через резисторы с базовыми обмотками силового трансформатора, дополнительные обмотки кот%орых, включенные согласно-последовательно-с базовыми обмотками, подключены к первым выводам обмоток дросселя насыщения, вторые выводы которых подсоединены через запирающие диоды к базам силовых транзисторов преобразователя, а также потенциометр, крайние выводы которого подключены через разнонаправленные диоды к второму выводу одной из обмоток дросселя насыщения, причем средний вывод потенциометра подключен к первому выводу одной из обмоток дросселя насыщения непосредственно

Недостатком известного технического решения является узость пределов симметрирования схемы вследствие того, что величины напряжений, приложенных к дросселю насыщения и определяющие начальный ток его перемэгничивания, определяются напряжениями база-эмиттер силовых транзисторов, которые близки друг к другу в том числе у экземпляров транзисторов, имеющих значительный разброс своих коэффициентов усиления. Причем диапазон изменения напряжений, приложенных к дросселю насыщения, ограничен условием необходимости поочередного нахождения силовых транзисторов в насыщенном состоянии Поэтому симметрирующая цепочка в известном техническом решении не устраняет полностью несимметрию, связанную с разбросом времен запирания силовых транзисторов, что создает условия для одностороннего замагничива- ния сердечника силового трансформатора, способствующего перегрузкам силовых транзисторов, что снижает надежность преобразователя.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является преобразователь напряжения содержащий силовой трансформатор вторичная обмотка которого подсоединена через выпрямитель,к выходным выводам, а первичная обмотка связана с выходными электродами силовых транзисторов преобразователя, управляющие электроды которых, шунтированные обратными диодами, соединены через резисторы с базовыми обмотками силового трансформатора, дополнительные обмотки которого, включенные согласно-последовательно с базовыми обмотками, подключены к первым выводам обмоток дросселя насыщения, вторые выводы которых подсоединены через запирающие диоды к базам силовых транзисторов преобразователя, а также потенциометр, крайние выводы которого подсоединены через разнонаправленные диоды к второму выводу одной из обмоток дросселя насыщения, причем первый вывод указанной обмотки и средний вывод потенциометра подключены к выводам управляющей обмотки силового трансформатора

Недостатком известного технического решения являются узкие пределы симметрирования, осуществляемого диодно-ре.зи- стивной цепочкой Указанная диоднорезистивная цепочка не может в широких пределах регулировать время перемагничи- вания дросселя насыщения, выполняющего времязадающую функцию, так как по обоим

полупериодам к обмотке дросселя насыщения прикладываются практически одинаковые напряжения обмотки силового трансформатора, так как, во-первых, чтобы напряжения отличались друг от друга необ0 ходимы различные падения напряжений на частях переменного резистора симметрирующей цепочки, что может быть достигнуто при большой величине сопротивления указанного резистора, потому что ток намагни5 чивания первичной обмотки дросселя насыщения в установившиеся моменты времени ничтожно мал (ввиду запертого состояния диодов в цепях вторичных обмоток этого дросселя) С другой стороны выбор

0 величины сопротивления переменного резистора симметрирующей цепочки ограничен сверху и это сопротивление не может быть большим так как в моменты насыщения сердечника дросселя насыщения дол5 жен обеспечиваться ток через вторичные обмотки дросселя насыщения превышающий базовый ток насыщенного силового транзистора По этой причине переменный резистор симметрирующей цепочки не мо0 жет быть выбранным больше по величине своего сопротивления, а влияние его изменения на время перемагничивания дросселя насыщения практически отсутствует (вследствие малости величины изменения

5 сопротивления, определяющей падение напряжений на его частях при малых токах, протекающих через него в установившиеся моменты времени). При больших разбросах во времени запирания силовых транзисто0 ров симметрирующая цепочка не устраняет полностью несимметрию перемагничивания сердечника силового трансформатора что способствует возникновению одностороннего замагничивания его сердечника

5 приводящего к перегрузкам силовых транзисторов снижающих надежность преобразователя

Целью изобретения является повышение надежности путем улучшения условий

0 симметрирования. Указанная цель достигается тем, что в транзисторный преобразователь напряжения, содержащий полумостовой инвертор, вторичная обмотка силового трансформатора которого соединена че5 рез выпрямитель с выходными выводами базовые обмотки соединены через базовые резисторы с шунтированными обратными диодами управляющими переходами силовых транзисторов базы которых соединены через выключающие диоды и вторичные обмотки выключающего трансформатора с первыми выводами запирающих обмоток силового трансформатора, вторые выводы которых присоединены к эмиттерам силовых транзисторов, вспомогательную обмот- ку силового трансформатора, первый вывод которой подключен к первому выводу первичной обмотки выключающего трансформатора, второй вывод которой присоединен к разноименным выводам первогои второго диодов, первый подстроенный резистор, введены второй подстроенный резистор, третий, четвертый диоды, дроссель насыщения и два управляющих транзистора со взаимно дополняющими типами проводи- мости, управляющие переходы которых включены параллельно и шунтированы резистором, эмиттеры подключены к первому выводу вспомогательной обмотки силового трансформатора, а коллекторы присоедине- ны к свободным выводам соответствующего первого и второго диодов, при этом объединенные базы управляющих транзисторов соединены через дроссель насыщения с объединенными разноименными выводами третьего и четвертого диодов, другие выводы которых подключены к средним выводам первого и второго подстроенного резисторов, включенных между первым и вторым выводами вспомогательной обмотки сило- вого трансформатора.

Новым в предлагаемом техническом решении является то, что в него введены дополнительный выключающий трансформатор, два управляющих транзистора со взаимно дополняющими типами проводимости, управляющие переходы которых включены параллельно и шунтированы резистором, эмиттеры подключены к первому выводу вспомогательной обмотки силового трансформатора, а коллекторы присоединены к свободным выводам соответствующего первого и второго диодов, при этом объединенные базы управляющих транзисторов соединены через дроссель насыщения, вы- полненный однообмоточным, с объединен- -ными разноименными выводами третьего и четвертого диодов, другие выводы которых подключены к средним выводам соответственно первого и второго подстроенных ре- зисторов. включенных между первым и вторым выводами вспомогательной обмотки силового трансформатора.

Существенным отличием является расширение диапазона изменения времени вы- ключения силовых транзисторов симметрирующей цепочкой, что позволяет осуществить качественное симметрирование при больших разбросах времен выключения силовых транзисторов, что исключает перегрузки силовых транзисторов и повышает надежность. В техническом решении, принятом за прототип, симметрирование схемы может осуществляться в узких пределах При превышении величин разбросов времен запирания силовых транзисторов пределов симметрирования, определяемых схемным решением, сохраняется остаточная несимметрия в работе преобразователя, снижающая его надежность.

Положительный эффект достигается увеличением пределов симметрирования, что позволяет качественно отсимметриро- вать траекторию перемагничивания сердечника силового трансформатора и исключить таким образом перегрузки силовых транзисторов, что повышает надежность, В техническом решении, принятом за прототип, из-за узких пределов симметрирования создаются условия для перегрузки силовых транзисторов вследствие неполного симметрирования перемагничивания сердечника силового трансформатора, что снижает надежность преобразователя.

На фиг.1 приведена схема транзисторного преобразователя напряжения; на фиг.2 изображены временные характеристики токов и напряжений.

Транзисторный преобразователь напряжения содержит силовой трансформатор 1, ко вторичной обмотке 2 которого подключен выпрямитель 3. Один вывод первичной обмотки 4 указанного трансформатора 1 подключен к точке соединения эмиттера и коллектора силовых транзисторов 5 и 6 соответственно, база-эмиттерные переходы которых зашунтированы диодами 7 и 8 в обратном включении. Базы транзисторов 5 и 6 подключены через резисторы 9 и 10 к одним выводам обмоток 11 и 12 силового трансформатора 1, другие выводы которых подключены к эмиттерам силовых транзисторов 5 и 6 соответственно. Обмотки 13 и 14 силового трансформатора 1 включены согласно с обмотками 11 и 12 этого трансформатора последовательно со вторичными обмотками 15 и 16 выключающего трансформатора 17 и диодами 18 и 19 к базам силовых транзисторов 5 и 6. Первичная обмотка 20 выключающего трансформатора 17 одним выводом подключена через защитные диоды 21 и 22 к коллекторам управляющих транзисторов 23 с взаимно дополняющими типами проводимости, база-эмиттерные переходы которых объединены и зашунтированы резистором 25, причем к другому выводу обмотки 20 выклю- чающего трансформатора 17 подключены эмиттеры транзисторов 23 и 24.

Объединенные базы управляющих транзисторов 23 и 24 подключены через дроссель насыщения 26 к объединенным разноименным выводам диодов 27 и 28, другие выводы которых подключены к средним выводам подстроечных резисторов 29 и 30, крайние выводы которых подключены между первым и вторым выводами вспомогательной обмотки 31 силового трансформатора 1, один из которых подключен к эмиттерам управляющих транзисторов 23 и 24. Цепочка из последовательно соединенных конденсаторов 32 и 33 средним выводом подключена к другому выводу обмотки 4 силового трансформатора 1. а крайними выводами подключена к входным выводам, подключенным также к коллектору силового транзистора 5 и эмиттеру транзистора 6 соответственно. Токам через дроссель 26 соответствуют эпюры 34,35 л 36. Напряжениям на коллекторах управляющих транзисторов 23 и 24 соответствуют эпюры 37 и 38. Напряжениям на коллекторах силовых транзисторов 5 и 6 соответствуют эпюры 39 и 40.

Транзисторный преобразователь постоянного напряжения работает следующим образом. После запуска преобразователя одним из известных способов конкретное схемное решение которых не приводится вследствие несущественности с точки зрения задачи, решаемой в предлагаемом техническом решении, силовые транзисторы периодически находятся в открытом и закрытом состояниях. Предположим, от- крытсиловой транзисторб и закрытсиловой транзистор 6. Ток базы транзистора 5 определяется величиной напряжения на обмотке 11 и величиной сопротивления резистора 9. Диод 7 находится в непроводящем состоянии, а диод 3 - в проводящем, ограничивая величину обратного напряжения на эмит- терном переходе транзистора 6 величиной падения напряжения на диоде 8 в прямом направлении, На обмотке 13 трансформатора 1 существует отрицательное напряжение относительно эмиттера транзистора 5, которое прикладывается через проводящий диод 18 к обмотке 15 выключающего трансформатора 17. Однако ток через обмотку 15 этого трансформатора в установившиеся моменты времени ничтожно мал и определяется только током намагничивания этой обмотки, поэтому не оказывает влияния на ток базы транзистора 5. Поэтому напряжение обмотки 13 трансформатора 1 практически падает на обмотке 15 трансформатора 17. Выключающий трансформатор 17 рассчитывается таким образом, чтобы его сердечник при всех условиях перемагничивался по линейному закону и не насыщался несмотря на несимметричный режим работы. Для этого его сердечник может быть выполнен с воздушным зазором, или без

него, но должен быть выполнен на материале, обеспечивающем линейный режим при высоких значениях индукции, например на молибденовом пермаллое. Диоды 21 и 22 защищают управляющие транзисторы от

0 инверсного включения. Диоды 27 и 28 разделяют напряжения, приложенные к дросселю насыщения 26 по полупериодам. Напряжения на обмотках 14 трансформатора 1 и на обмотке 16 трансформатора 17

5 включены встречно и примерно равны, что исключает их влияние на режим запертого транзистора 6. Напряжение обмотки 20 трансформатора 17 прикладывается через защитный диод 22 к коллектору управляю0 щего транзистора 24. который находится в запертом состоянии так как напряжение на эмиттерном переходе недостаточно по величине для его отпирания. Величина этого напряжения определяется током намагни5 чивания (34) дросселя насыщения 26 через проводящий диод 28, величина которого в свою очередь определяется коэффициентом деления напряжения обмотки 31 трансформатора 1 делителем, образованным частями

0 резистора 30 относительно своего среднего вывода. Через время, определяемое параметрами дросселя 26, последний входит в насыщение, падение напряжения на нем резко уменьшается, а ток через него и диод

5 28 возрастает до величины, большей порогового уровня Inop. Величины падения напряжения на резисторе 25 оказывается достаточно для отпирания транзистора 24, который шунтирует обмотку 20 трансформа0 тора 17, падение напряжения на обмотке 24 резко уменьшается, что приводит к уменьшению падений напряжений на остальных его обмотках. Уменьшение падения напряжения на обмотке 15 трансформатора 17

5 приводит к приложению напряжения запирающей полярности обмотки 13 трансформатора 1 к база-эмиттерному переходу транзистора 5, который запирается (интервал времени t2-ti). Полярности напряжений

0 на обмотках трансформатора 1 и трансформатора 17 изменяются на противоположные, транзистор 5 остается в запертом состоянии с отрицательным относительно эмиттера напряжением обмотки 11, а тран5 зистор 6 отпирается. Дроссель насыщения 26 выходит из состояния насыщения и начинает перемагничиваться в обратном направлении. Через промежуток времени 1з - t2, определяемый параметрами дросселя насыщения 26 и напряжением на движке

подстроенного резистора 29 сердечник дросселя 26 входит в насыщение, открывается транзистор 23, шунтирующий обмотку 20 трансформатора 17 и происходит запирание транзистора б в течение времени ts -14. При одинаковых положениях движков потенциометров 29 и 30 к дросселю 26 прикладываются одинаковые напряжения, что приводит к равным начальным токам пере- магничивания u,i дросселя 26 в смеж- ные полупериоды и одинаковым длительностям 37 и 38 (совместно с штриховой линией) напряжений коллектор-эмиттер транзисторов 23 и 24 определяющих моменты превышения токов через резистор 25 Опор, -Inop), при которых открываются транзисторы 23 и 24 соответственно Транзисторы 5 и 6 запираются с задержкой rpi, ГР2 относительно моментов времени ti и Т4 определяемой параметрами транзисторов 5 и 6, (фиг,2. масштаб длительностей времен рассасывания неосновных носителей транзисторов 5 и 6 - ГР1 и ГР2 для наглядности увеличен). Вследствие неиденгичности параметров транзисторов 5 и 6 время расса- сывания неосновных носителей определяющее время запирания у них неодинаково. В приведенном случае ГР2 ГР1. что приводит к увеличению полупериода 40 (совместно с штриховой линией фиг 2)посрав- нению с полупериодом 39 т е к несимметричному режиму работы Симметрирование схемы производится следующим образом. При увеличении напряжения снимаемого с потенциометра 29 (изменени- ем его положения) начальный ток намагничивания iy з дросселя 26 будет увеличен что уменьшит время его перемагничивания к более раннему отпиранию транзистора 24 (момент времени тз), вследствие чего сокра- щается полупериод 40 до значения равного полупериоду 39. а промежуток времени t2 - to становится равным промежутку времени t4 -t2, т.е. происходит симметрирование схемы, вследствие чего сердечник трансформа- тора 1 перемагничивается по симметричному циклу. Изменением напряжений приложенных к дросселю 26. возможно в широких пределах изменять время его перемагничивания до состояния насыще- ния .и длительность выходных импульсов преобразователя, связанную с этим временем.

Улучшение условий симметрирования путем расширения пределов изменения на-

чальных моментов времени запирания силовых транзисторов позволяет осуществить качественное симметрирование схемы при больших разбросах во времени запирания силовых транзисторов, что исключает их перегрузки и как следствие повышает надежность преобразователя постоянного напряжения.

Формула изобретения Транзисторный преобразователь постоянного напряжения, содержащий полумостовой инвертор, вторичная обмотка силового трансформатора которого соединена через выпрямитель с выходными выводами, базовые обмотки соединены через базовые резисторы с управляющими переходами шунтированными обратными диодами силовые транзисторы, базы которых соединены через выключающие диоды и вторичные обмотки выключающего транс- Форматора с первыми выводами запирающих обмоток силового трансформатора вторые выводы которых присоединены к эмиттерам силовых транзисторов вспомогательную обмотку силового трансформатора первый вывод которой подключен к первому выводу первичной обмотки выключающего трансформатора, второй вывод которой присоединен к разноименным выводам первого и второго диодов, первый подстроечный резистор, отличающий- с я тем что с целью повышения надежности путем улучшения условий симметрирования преобразователя, в него введены подстроечный резистор третий четвертый диоды дроссель насыщения и два управляющих транзистора со взаимно дополняющими типами проводи-мости, управляющие переходы которых включены параллельно и шунтированы резистором, эмиттеры подключены к первому выводу вспомогательной обмотки силового трансформатора, а коллекторы присоединены к свободным выводам соответствующего первого и второго диодов при этом объединенные базы управляющих транзисторов соединены через дроссель насыщения с объединенными разноименными выводами третьего и четвертого диодов другие выводы которых подключены к средним выводам соответствующего первого и второго подстроечного резисторов, включенных между первым и вторым выводами вспомогательной обмотки силового трансформатора.

Inopi

Использование: в системах вторичного электропитания и автоматики. Сущность изобретения: устройство содержит полумостовой инвертор, вторичная обмотка силового трансформатора (1) которого соединена через выпрямитель (3) с выходными выводами, базовые обмотки соедине- ны через базовые резисторы (9,10) с управляющими переходами, шунтированными обратными диодами (7,8), силовых транзисторов (5,6). Запирающие обмотки

3nop2

U 23

О

VHS, UK

E0x.lt

Редактор В.Фельдман

Составитель И.Фокин Техред М.Моргентал

Фиг 2

Корректор О.Кравцова