Однотактный преобразователь постоянного напряжения Советский патент 1992 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и может быть использовано ъ источниках вторичного электропитания.

Известен однотактный преобразователь постоянного напряжения, содержащий силовой и управляющий транзисторы, силовой и управляющий трансформаторы, конденсатор и диод, включенные параллельно с силовым транзистором, и разрядную цепь. В этом преобразователе к силовому транзистору прикладывается повышенное напряжение в резонансном режиме работы при максимальном напряжении на конденсаторе. К тому же при разряде конденсатора значительная часть энергии рассеивается на элементах разрядной цепи, содержащей ограничительный резистор. Это существенно снижает КПД и надежность устройства.

Известен также однотактный преобразователь постоянного напряжения, содержащий силовой транзистор, дроссель, трансформатор, выпрямитель, рекупераци- онную и демпфирующую цепи. В таком преобразователе значительная часть энергии при перезаряде конденсатора демпфирующей цепи рассеивается на ограничительном резисторе, что значительно снижает КПД устройства.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является однотактный преобразователь постоянного напряжения, содержащий по меньшей мере один транзистор, включенный последовательно с первичной обмоткой трансформатора, выходной выпрямитель с LCD-фильтром и ре- куперационную цепь, включающую в себя рекуперационную обмотку и диод.

В данном преобразователе вся энергия, запасенная в индуктивности рассеяния первичной обмотки трансформатора, возвращается во входную питающую цепь, что существенно снижает КПД. Особенно заметно отмеченный недостаток проявляется в мощных высоковольтных устройствах, где из-за плохой магнитной связи между обмотками трансформатора, вызванной необходимостью изоляции обмоток, в индуктивности рассеяния первичной обмотки запасается значительная часть всей энергии.

Кроме того, при работе преобразователя большая часть периода тратится на накапливание энергии дросселем LCD-фильтра, которое происходит при постоянном напряжении, равном напряжению первичного источника электропитания. В результате этого также существенно уменьшается выходная мощность и КПД преобразователя.

Цель изобретения - повышение КПД преобразователя,

Поставленная цель достигается тем, что в однотактный преобразователь постоянного напряжения, содержащий трансформатор, вторичная обмотка которого соединена через выпрямитель и фильтр с выходными выводами, а первичная обмотка подключена по меньшей мере через один транзисторный ключ к выходным выводам цепи рекуперации избыточной энергии трансформатора, введены конденсатор и диод, включенные между одним из выходных выводов и выходными выводами цепи рекуперации избыточной энергии трансформатора, шунтированными конденсатором.

Введение в схему преобразователя диода и конденсатора позволяет уменьшить долю энергии, возвращаемую в цепь первичного источника электропитания, путем создания барьера для возврата энергии. Кроме того, в предлагаемом преобразователе сокращено время накапливания энергии за счет действия повышенного питающего

напряжения в течение некоторого времени после открытия транзистора. Это способствует увеличению энергии, передаваемой трансформатором в цепь нагрузки, и. в результате, позволяет повысить КПД устройства.

На фиг. 1 а, б приведены соответственно двухтранзисторный и однотранзистор- ный варианты предлагаемого однотактного преобразователя постоянного напряжения;

на фиг. 2 - диаграммы токов и напряжений, поясняющие работу преобразователя.

Преобразователь содержит входную цепь, включающую в себя транзистор 1 (в схеме по фиг. 1а таких транзисторов два) и

первичную обмотку 2 трансформатора 3, включенную последовательно с транзистором 1, вторичная обмотка 4 трансформатора 3 через выпрямительный диод 5 и конденсатор 6 подключена к выходным выводам преобразователя. рекуперационную цепь, включающую в себя рекуперационную обмотку 7 трансформатора 3 (в схеме по фиг. 1а рекуперационная обмотка 7 совмещена с первичной обмоткой 3), и диод 8 (в схеме по

фиг. 1а таких диодов два), конденсатор 9, включенный параллельно с входной и реку- перационной цепями, выводы которого через диод 10 подключены к входным выводам преобразователя, и конденсатор 11.

Преобразователь работает следующим образом.

Предположим, что в трансформаторе 3 не обеспечена тесная магнитная связь между первичной 2 и вторичной 4 обмотками. В

мюмент времени ti транзистор 1 открывается и в обмотке 2 начинает нарастать ток И, увеличивая энергию, запасаемую в магнитном поле трансформатора 3.

В момент т.2 транзистор 1 закрывается, и через рекуперационную обмотку 7 и диод 8 начинает протекать ток И, в результате чего энергия, запасенная индуктивностью рассеяния первичной обмотки 2, поступает в конденсатор 9, увеличивая его напряжение Ui (поскольку диод 10 закрыт) от уровня Do до Uo + Аи, где Uo - уровень напряжения первичного источника электропитания. Соответствующим образом увеличивается на- пряжение U2 первичной обмотки трансформатора 3. Ток И при этом плавно уменьшается, а ток вторичной обмотки г плавно нарастает, вызывая рост напряжения 11з на выходе преобразователя.

В момент ta ток рекуперационной цепи становится равным нулю, а достигший мак- симального значения ток г начинает уменьшаться. Рост напряжения Ui на конденсаторе 9 при этом прекращается, а напряжение 1)2 первичной обмотки 2 уменьшается до величины, определяемой соотноше- нием витков первичной и вторичной обмоток трансформатора 3.

Важно отметить, что в конденсатор 9 в течение времени t2 - t3 поступает лишь энергия, накопленная в поле рассеяния первичной обмотки трансформатора 3, причем плавное увеличение напряжения Ui на конденсаторе 9 на величину Ди создает барьер для возврата части основной энергии трансформатора 3 в цепь первичного источника электропитания (конденсатор 11). Режим коммутации транзистора 1 при этом не ухудшается, поскольку рост напряжения Ui начинается после полного закрытия транзистора 1.

Величина емкости конденсатора 9 определяется соотношением

Г

где AW - энергия, запасаемая индуктивностью рассеяния трансформатора 3 за один период;

5 10 15

20 25

0 5 0

5

0

Ли - разность между максимальным напряжением на конденсаторе 9 и напряжением на конденсаторе 11 (обычно Ди не превышает 20-30% от величины напряжения на конденсаторе 11).

В момент t4 ток 2 вторичной обмотки 4 уменьшается до нуля и транзистор 1 снова открывается. При этом в первый момент времени к первичной обмотке 2 трансформатора 3 прикладывается напряжение U2, равное по величине U0 + Ди, что вызывает увеличение скорости нарастания тока Н первичной обмотки 2.

В дальнейшем напряжения Ui и U2 уменьшаются до момента времени t5r после чего открывается диод 10 и эти напряжения становятся постоянными, равными по величине U0. С момента ts ток И нарастает по линейному закону.

В момент te транзистор 1 снова закрывается, и процесс повторяется.

Таким образом, введение в схему устройства диода и конденсатора позволяет создать барьер для возврата части энергии трансформатора в первичный источник электропитания путем увеличения напряжения на конденсаторе на величину Ди Кроме того, увеличение напряжения приводит к увеличению скорости и сокращению времени нарастания тока в обмотке трансформатора до заданного уровня. В результате этого увеличивается энергия, передаваемая трансформатором в нагрузку, и повышается КПД устройства

Формула изобретения

Однотактный преобразоаатель постоянного напряжения содержащий трансформатор, вторичная обмотка которого соединена через выпрямитель и фильтр с выходными выводами, а первичная обмотка подключена по меньшей мере через один транзисторный ключ к выходным выводам цепи рекуперации избыточной энергии трансформатора, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД введены конденсатор и диод, включенный между одним из входных выводов и выходными выводами цепи рекуперации избыточной энергии трансформатора, шунтированными конденсатором

Использование: изобретение относится да + к электротехнике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания Сущность изобретения: в преобразователе первичная обмотка 2 трансформатора включена последовательно с транзистором 1 между выводами конденсатора 9, к которым также присоединена цепь рекуперации, избыточной энергии, состоящая из обмотки 7 и диода 8. Конденсатор 9 соединен с входными выводами через диод 10. В устройстве избыточная энергия, накопленная в трансформаторе 3, накапливается в конденсаторе 9, отключенном от входных выводов запирающимся диодом 10 Это позволяет сократить потери энергии и увеличить КПД. 2 ил. о + о 2 О J ю ю