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

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах вторичного электропитания для получения электрически изолированных постоянных напряжений различного уровня,

Известны однотэктные преобразователи постоянного напряжения, в которых для управления силовым транзистором используется напряжение первичного источника питания.

В таких преобразователях велики потери мощности, что в наиболее значительной степени проявляется при малых коэффициентах усиления по току силового транзистора.

Для уменьшения потерь мощности применяют преобразователи, в которых напряжение питания схемы управления снижается при помощи трансформатора или импульсного стабилизатора.

Однако с повышением энергетической эффективности таких преобразователей увеличивается сложность схемы и ухудшаются массогабэритные характеристики.

Наиболее близким к предлагаемому является однотактный преобразователь постоянного напряжения, в котором для создания базового тока силового транзистора (как прямого, так и обратного) используется дополнительная обмотка силового трансформатора, выполненная со средней точкой, Одна ее половина применяется для создания прямого (открывающего) токч базы, другая - для обратного (запирающего). Коммутация токос осуществляется соответствующими транзисторами, переключаемыми схемой управления.

Недостатком этого преобразователя является значительное энергопотребление по сигналам схемы управления, что ухудшает массогабаритные характеристики и снижает возможности микроминиатюризации схемы преобразователя.

Цель изобретения - улучшение массогг- баритных характеристик за счет снижения мощности потерь схемы и возможности исполнения ее в виде монолитной или гибридной ИС.

Указанная цель достигается тем, что для переключения прямого и обратного токоа базы силового транзистора применены ти- ристорные эквиваленты, выполненные на биполярных транзисторах различного типа проводимости. Управление тиристорными эквивалентами осуществляется включающим и выключающим короткими импульсами, чем уменьшается энергопотребление от схемы управления и снижается мощность потерь.

На фиг, 1 приведена схема однотактно- го преобразователя постоянного напряжения; на фиг, 2 - временные диаграммы его работы.

Преобразователь (фиг. 1) содержит силовой трансформатор 1 с вторичной обмоткой 2, соединенной через выпрямитель 3 и фильтр 4 с выходными выводами 5 и 6, первичной обмоткой 7, подключенной через си0 ловой транзистор 8 к входным выводам 9 и 10; дополнительной обмоткой 11 и 11 с отводом от средней точки, которая соединена с эмиттером силового транзистора 8. Начало обмотки 11 через первый резистор 12

5 подключено к аноду первого диода 13, а конец обмотки 11 соединен через второй резистор 14 с катодом второго диода 15, В схеме содержится первый двухтранзистор- ный 16 эквивалент тиристора, силовым вхо0 дом соединенный с катодом первого диода 13, а силовым выходным выводом - с базой силового транзистора 8 и с силовым выводом второго 17 двухтранзисторного эквивалента тлристора, силовым выходом

5 подключенного к аноду второго диода 15. Между управляющим выводом первого 16 двухтранзисторного эквивалента тиристора и его силовым выходным выводом включен выключающий 18 транзистор, база которого

0 соединена с выводом для подачи выключающего сигнала 19, а управляющий вывод второго 17 эквивалента тиристора через дифференцирующую цепь 20 соединен с катодом первого 13 диода.

5 Первый 16 и второй 17 двухтранзистор- кые эквиваленты тиристора состоят из двух 21 и 22 биполярных транзисторов n-p-п и р-п-р типов проводимости соответственно. Эмиттер транзистора 22 образует силовой

0 еыходной вывод, а эмиттер транзистора 21 - силовой выходно/ вывод, причем база каждого транзистора од огс типа проводимости соединена с коллектором транзистора другого типа проводимости.

5 Параллельно базоэмиттерным переходам транзисторов 21 и 22 подключены первый и второй шунтирующие 23 и 24 резисторы соответственно, База транзисторов 21 образует управляющий вывод двухтранзисторного

0 эквивалента тиристора, являющийся входом для подачи включающих импульсов преобразователя 25. К катоду первого диода 13 подключен катод запирающего диода 26, анод которого через запирающий резистор

5 27 соединен с базой силового транзистора 8. На входе второго 17 эквивалента тиристора и силового транзистора 8 включены защитные диоды 28 и 29 соответственно,

На временных диаграммах (фиг. 2) изображены эпюры: 30 и 31 управляющих импульсов схемы преобразователя, подаваемые на выводы 25 и 19 соответственно; 32 - базового тока силового транзистора 8; 33 - тока коллектора транзистора 8; 34 - напряжения на полуобмотке 11 трансформатора 1; 35 - напряжения на полуобмотке 111 того же трансформатора; 36 - ток входного силового вывода эквивалента 16 тиристора; 37 - ток выходного с илового вывода эквивалента 17 тиристора. Названные токи обозначены на схеме преобразователя (фиг. 1) соответствующими индексами.

Однотактный преобразователь работает следующим образом.

В запертом состоянии силового транзистора 8 эквиваленты 16 и 17 тиристоров заперты и тока не проводят. Напряжения на полуобмотках 11 и 111 имеют такую полярность, что диоды 13 и 15 заперты. Через диоды 26 и 29, а также через резистор 27 идет ток, обусловливающий отрицательное запирающее напряжение на базе силового транзистора 8.

В момент времени to (см, эпюру 30 временных диаграмм на фиг. 2) поступает импульс включения |Вкл, подаваемый на вывод 25. Это вызывает включение транзистора 21 эквивалента 16 и силового транзистора 8. так как появляется его базовый ток (эпюра 32). Возникает ток коллектора транзистора 8 (эпюра 33). Вследствие того, что транзистор 8 открывается, напряжения на полуобмотках 11 и 11 меняют свою полярность (эпюры 34 и 35). Открывается диод 13 и напряжение, подаваемое на эквивалент 16, открывает транзистор 22. Это вызывает регенеративное открывание эквивалента 16 (эпюра 36) и обусловливает его постоянное открытое состояние при наличии напряжения рассматриваемой полярности на полуобмотке 11, независимо от наличия или отсутствия импульса на выводе 25,

Далее на протяжении времени in (эпюра 32) силовой транзистор находится в открытом и насыщенном состоянии под действием базового тока, создаваемого полуобмоткой 11 трансформатора 1. Ток коллектора транзистора 8 увеличивается в соответствии с индуктивностью первичной обмотки 7 этого же трансформатора. Выпрямительный диод 3 на этом этапе времени заперт, так как рассматривается схема однотактного преобразователя с обратным включением диода.

По прошествии времени tM приходит импульс выключения 1Выкл (эпюры 32 и 31). Это вызывает включение выключающего транзистора 18 и шунтирование его открытым коллекторно-эмиттерным переходом входа транзистора 21 эквивалента 16. Транзистор

21 после рассасывания зарядов запирается. Вслед за этим после аналогичного рассасывания зарядов запирается и транзистор 22 того же эквивалента. Запирание эквивален- 5 та 16 приводит к появлению скачка напряжения на катоде диода 13, который после дифференцирования цепью 20 открывает транзистор 21 эквивалента 17. Так как напряжение на полуобмотке 111 имеет соот0- ветствующую полярность, то это приводит к регенеративному открыванию эквивалента 17. Появляется рассматривающий ток базы силового транзистора 8, величина которого определяется напряжением на

5 полуобмотке 11 . Начинается процесс рассасывания зарядов из полупроводниковой структуры насыщенного силового транзистора 8, который длится время tp (эпюра 32). Включенное состояние эквивалента 17, а

0 следовательно, и наличие рассасывающего тока силового транзистора 8, не зависят от наличия или отсутствия импульса управления на выводе 19.

После окончания времени рассасыва5 ния tp (эпюры 32 и 33) силовой транзистор запирается, его коллекторный ток спадает до нуля и напряжения на полуобмотках 11 и 111 меняют свою полярность (эпюры 34 и 35). Диоды 13 и 15 запираются, а диод 26 откры0 вается. Схема приходит в исходное первоначальное состояние. Выпрямительный диод 3 открывается и накопленная в индуктивности намагничивания трансформатора 1 энергия отдается в нагрузку (выводы 5 и 6) и

5 на подзаряд фильтрующего конденсатора 4. Далее после очередного прихода импульса управления на вывод 25 процессы повторяются аналогично.

Для нормального функционирования

0 схемы необходимо, чтобы длительность импульса 1Вкл (эпюра 30) была большей, чем суммарное время задержки включения силового транзистора 8 и время смены полярности на полуобмотке 11 трансформатора 1.

5 Длительность входного импульса т.выкл(эпюра 31) практически всегда должна быть больше времени 1вкл, что обусловлено довольно медленным выключением транзисторов 21 и 22 эквивалента 16.

0 Инерционные свойства эквивалента 17 практически не сказываются на быстродействии схемы, так запирание его транзисторов 21 и 22 происходит при запертом состоянии силового транзистора 8.

5 Следовательно, включение и выключение силового транзистора выполняются при помощи довольно коротких импульсов управления, которые могут быть существенно меньше по длительности, чем рабочие полупериоды работы схемы преобразователя.

Таким образом, мощность, потребляемая от схемы управления, существенно снижается, что в наибольшей степени проявляется при использовании силовых транзисторов с малыми коэффициентами усиления. Это дает возможность уменьшить энергопотребление схемы управления, снизить мощность потерь и улучшить массога- баритные характеристики за счет исполнения схемы в виде гибридной или монолитной ИС. Этим расширяются функциональные возможности применения схе- мы преобразователя постоянного напряжения.

Формула изобретения 1. Однотактный преобразователь постоянного напряжения, содержащий силовой трансформатор с вторичной обмоткой, соединенной через выпрямитель и фильтр с выходными выводами, первичной обмоткой, подключенной через силовой транзистор к входным выводам, дополнительной обмоткой с отводом от средней точки, соединенной с эмиттером силового транзистора, причем начало дополнительной обмотки через первый резистор подключено к аноду первого диода, а ее конец через второй резистор - к катоду второго диода, отличающийся тем, что, с целью улучшения мас- согабаритных показателей, введен первый двухтранзисторный эквивалент тиристора, силовым входным выводом соединенный с катодом первого диода, а силовым выходным выводом - с базой силового транзистора и с силовым входным выводом введенного второго двухтранзисторного эквивалента тиристора, силовым выходным выводом подключенного к аноду второго диода, причем между управляющим выводом первого двухтранзисторного эквивалента

тиристора и его силовым выходным выводам включен выключающий транзистор, база которого соединен с выводом для подачи выключающего сигнала, а управляющий вывод второго двухтранзисторного эквивалента

тиристора через введенную дифференцирующую цепочку соединен с катодом первого диода.

2.Преобразователь по п. 1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что первый и второй двухтранзисторные эквиваленты тиристора выполнены на двух биполярных транзисторах различного типа проводимости, где эмиттер p-n-p-транзистора образует силовой входной вывод, а эмиттер n-p-n-транзистора силовой выходной вывод, причем база каждого транзистора одного типа проводимости соединена с коллектором транзистора другого 1ипа проводимости, параллельно базоэмиттерным переходам каждого транзистора подключен шунтирующий резистор, база rt-p-n-транзистора образует управляющий вывод двухтранзисторного эквивалента тиристора.

3.Преобразователь по пп. 1 и 2, о т л и- чающийся тем, что, с целью повышения

надежности путем активного запирания силового транзистора, введены последовательно соединенные запирающие резистор и диод, катод которого подключен к аноду первого диода, а анод через запирающий резистор соединен с базой силового транзистора.

$0

t,,,

j I L- P.K. л

±Г

Использование: преобразование и регулирование постоянного напряжения с помощью однотактного транзисторного преобразователя для систем вторичного электропитания. Существо изобретения: силовой транзистор 8 управляется напряжением, сжимаемым с дополнительной обмотки 11, 11 силового трансформатора 1. Для включения силового трансформатора 8 подается импульс тока на вход 25. При этом включается первый двухтранзисторный эквивалент тиристора 16 и от дополнительной обмотки 11 поступает в базу силового транзистора 8 отпирающий ток. Для выключения силового транзистора 8 на вывод 19 подается импульс тока, открывающий выключающий транзистор 18, что приводит к запиранию первого двухтранзисторного эквивалента тиристора 16, При этом скачок напряжения на дифференцирующей цепочке 20 отпирает второй двухтранзисторный эквивалент тиристора 17, через который запирающее напряжение дополнительной обмотки 111 активно запирает силовой транзистор 8. Запертое состояние далее поддерживается до- полнительной обмоткой 11 через запирающий диод 26. 2 з.п. ф-лы, 2 ил. 9 i J w1 Ё VI 01 оэ х| Ч О

341

35 f

t.

--t

f