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

vi сл

00 vj

Ч XI

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания,

Известен однотактный преобразователь постоянного напряжения, содержащий транзистор, силовой трансформатор и аспо- могательный дроссель, цепь формирования траектории переключения из соединенных последовательно; конденсатора и диода.

Известен также однотактный преобразователь постоянного напряжения, содержащий транзистор, силовой и вспомогательный трансформаторы, у которых последовательно соединенные первичные обмотки подключены к одному из входных зажимов и коллектору транзистора, цепь формирования траектории переключения из соединенных последовательно конденсатора и первого диода, к общей точке соединения которых через второй диод подключена вторичная обмотка вспомогательного трансформатора.

Недостатком этого преобразователя является то, что включение первичной обмотки вспомогательного трансформатора последовательно с коллектором транзистора ограничивает возможности снижения перенапряжений и соответственно препятствует достижению высоких КПД и надежности.

Цель изобретения - повышение КПД.

Поставленная цель достигается тем, что в однотактном преобразователе постоянного напряжения, содержащем силовой трансформатор, первый вывод вторичной обмотки которого присоединен к первому выходному выводу, а второй вывод связан через выпрямитель и дроссель фильтра с вторым выходным выводом, ключевой транзистор, первый силовой вывод которого присоединен к первому входному выводу, а второй силовой вывод соединен через первичную обмотку силового трансформатора с вторым входным выводом, вспомогательный двухобмоточный трансформатор, первая обмотка которого включена последовательно между первым и вторым диодами, свободные выводы которых присоединены соответственно к первому и второму входному выводу, конденсатор, включенный между вторым силовым выводом ключевого транзистора и точкой соединения первой обмотки вспомогательного трансформатора и второго диода, связь второго вывода вторичной обмотки силового трансформатора с дросселем фильтра осуществлена через вторую обмотку вспомогательного трансформатора.

-Кроме того, магнитопровод вспомогательного трансформатора состоит из двух сердечников, при этом первый из них выполнен из феррита, а второй - из материала с линейной характеристикой намагничивания.

На фиг. 1 показана схема однотактного

преобразователя постоянного напряжения; на фиг. 2 - временные диаграммы токов и напряжений,

Однотактный преобразователь постоянного напряжения (фиг, 1) содержит ключевой транзистор 1, управляющие электроды которого подключены к блоку управления 2, силовой трансформатор 3 с первичной обмоткой 4 и вторичной обмоткой 5, выпрямитель 6, дроссель фильтра 7, нагрузку 8. Узел формирования траектории переключения состоит из конденсатора 9, первого диода 10.. вспомогательного трансформатора 11 с первой 12 и второй 13 обмотками и второго

диода 14. Однотактный преобразователь с прямым включением диода, кроме того, имеет обмотку размагничивания 15 силового трансформатора 3 и диод 16,

Блок управления 2 подключен выходом

к управляющим электродам ключевого транзистора 1. Эмиттер и коллектор ключевого транзистора 1 через первичную обмотку 4 силового трансформатора 3 подключены к входным зажимам преобразователя, Первичная обмотка 4 силового трансформатора 3 зашунтирована последовательно соединенными конденсаторами 9 и диодом 10, причем к общей точке последних подключена цепь из ьторого диода 14 и

обмотки 12 вспомогательного трансформатора 11. Другой сывод этой цепи соединен с эмиттером ключевого транзистора 1, Вторичная обмотка 5 силового трансформатора 3 через выпрямитель 6 v. последовательно

соединенные вторую обмотку 13 вспомогательного трансформатора 11 и дроссель фильтра 7 подключена к нагрузке 8, которая, в частности, может быть активноемкостной. Однотактный преобразователь постоянного напряжения работает следующим образом,

В установившемся режиме работы преобразователя к моменту отпирания транзистора 1 напряжение на конденсаторе 9

имеет полярность, показанную на фиг, 1 в скобках. В момент времени t 0 блок управления 2 включает транзистор 1 и напряжение нз нем Ui {фиг. 2а) уменьшается до нуля, При этом напряжение на конденсаторе

9 Ug через открывающийся диод 14 прикладывается к обмотке 12 трансформатора 11. Коллекторный ток транзистора 1 м складывается из тока, протекающего по обмотке 4, и тока перезаряда конденсатора 9. Скорость нарастания токз в обмотке 4 ограничивается индуктивностями рассеяния обмоток 4 и 5 трансформатора 3. Ток перезаряда конденсатора 9 протекает по цепи: транзистор 1 - обмотка 12 - диод 14 и определяется током обмотки 12 ii2, а его скорость нарастания ограничена индуктивностями рассеяния обмоток 12, 13 трансформатора 11. Следовательно, включение транзистора 1 происходит в благоприятных условиях.

После окончания формирования фронта ток в обмотке 4 становится равным приведенному току нагрузки 8 и определяется отношением чисел витков обмоток 5 и 4. Ток перезаряда конденсатора 9 складывается из тока дросселя 7, приведенного от обмоток 13 к обмотке 12 трансформатора 11, и тока намагничивания этого трансформатора, протекающего по обмотке 12. Если пренебречь токами намагничивания обмотки 4 трансформатора 3 и обмоток 12 трансформатора 11 и временами переключения диодов выпрямителя 6, то коллекторный ток И установится приблизительно равным и - Up.(W5/W4) + Up.(Wi3/Wi2). где |Др - ток дросселя 7, равный приблизительно току нагрузки 8, и при большой индуктивности дросселя 7 практически не меняющийся во времени; ток обмотки 13 Из равен току 1ДР.; Ws, W, Л/1з, Wi2 числа витков соответствующих обмоток трансформаторов 3 и 11. Исполу зуя приведенное соотношение, можно выбрать параметры трансформатора 11 таким образом, что коллекторный ток транзистора 1 будет незначительно превышать приведенный ток нагрузки 8.

В интервале времени 0 - ti полярность напряжений на обмотках 12 и 13 показана на фиг. 1 в скобках и в это время конденсатор 9 разряжается, а сердечник трансформатора 11 намагничивается, при этом энергия, накопленная в конденсаторе 9, отдается в нагрузку. В момент времени ц напряжения на конденсаторе 9 и обмотках 12 и 13 становятся равными нулю, а затем, под действием намагничивающего тока дросселя 7, протекающего по обмотке 13, меняют свою полярность и начинают расти (полярность напряжений показана на фиг. 1 без скобок). Напряжение на конденсаторе 9 в момент времени t2 достигает напряжения питания Un преобразователя, после чего открывается диод 10, и энергия, накопленная в индуктивности намагничивания трансформатора 11, рекуперируется в источник питания. После того, как сердечник трансформатора 11 вновь намагничивается до насыщения, напряжения на обмотках 12 и 13 спадут до нуля, диод 14 закроется.

До момента запирания транзистора 1 тз происходит передача энергии от источника

питания в на. рузку 8. При этом накапливается энергия в индуктивностях намагничивания и рассеяния трансформатора 3. После того, как блок управления 2 подаст ээпира- 5 ющий импульс на транзистор 1, его коллекторный ток h в момент времени t3 начнет уменьшаться. Ток обмотки 4 открывает диод 10 и начинает перезаряжать конденсатор 9. Поскольку в момент хз напряжение на кон0 денсаторе 9 равнялось напряжению питания преобоазователя Un, то напряжение на коллекторе транзистора 1 Ui начинает нарастать плавно с нуля. При этом коллекторный ток успевает уменьшиться до нуля

5 при еще небольшом напряжении на транзисторе 1. Следовательно, динамические потери в транзисторе на этапе выключения невелики.

С течением времени напряжение на

0 конденсаторе 9 сначала уменьшится до нуля, а затем начинает расти в обратной полярности (показана на фиг. 1 в скобках) до напряжения, определяемого суммой приведенного напряжения на нагрузке 8 от обмо5 ток 15 к обмотке 4, и напряжения, обусловленного разрядом индуктивности рассеяния обмотки 4. В дальнейшем после включения транзистора процессы повторятся.

0Параметры трансформатора 11 целесообразно выбрать таким образом, чтобы при номинальном токе нагрузки сердечник входил в насыщение в момент t2 окончания процесса заряда конденсатора 9 до напря5 жения питания Un, как показано на фиг. 2а, или несколько позже.

Кроме того, при уменьшении тока нагрузки 8 может оказаться, что сердечник трансформатора 11 войдет в насыщение

0 раньше, чем закончится разряд конденсатора 9 до нуля, вследствие чего индуктивность намагничивания обмотки 12 резко уменьшится, ток перезаряда приобретает резонансный характер, амплитуда которого

5 будет определяться остаточным напряжением на конденсаторе 9 и волновым сопротивлением контура перезаряда. Учитывая, что такой режим наступает при малых токах нагрузки 8, суммарные потери в транзисто0 ре 1 не увеличиваются.

Кроме того, амплитуду резонансного тока можно уменьшить, если магнитопровод трансформатора 11 составить из двух, например кольцевых,сердечников, один из ко5 торых имеет высокую магнитную проницаемость и нелинейную характеристику (феррит), а второй - линейную характеристику намагничивания (альсифер пресс-пермаллой и т.д.). При таком исполнении магнитопроводэ режим работы узла

формирования траектории переключения в области номинальных токов нагрузки определяется ферритовым сердечником, а на холостом ходе и в режимах, близких к нему, - сердечником с линейной характеристикой намагничивания.

В предлагаемом преобразователе перенапряжения на транзисторе в момент его выключения определяются только индуктивностью рассеяния первичной обмотки силового трансформатора, в то время как в прототипе они зависят еще и от индуктивно- стей намагничивания и рассеяния вспомогательного трансформатора. Следовательно, вероятность вторичного пробоя транзистора в предложенном преобразователе значительно ниже, а его надежность и КПД выше.

Формула изобретения 1, Однотактный преобразователь постоянного напряжения, содержащий силовой трансформатор, первый вывод вторичной обмотки которого присоединен к первому выходному выводу, а второй вывод связан через выпрямитель и дроссель фильтра с вторым выходным выводом, ключевой транич

и

Смг.

зистор, первый силовой вывод которого присоединен к первому входному выводу, э второй силовой вывод соединен через первичную обмотку силового трансформатора с

вторым входным выводом, вспомогательный двухобмоточный трансформатор, первая обмотка которого включена последовательно между первым и вторым диодами, свободные выводы которых присоединены соответственно к первому и второму входному выводу, конденсатор, включенный между вторым силовым выводом силового транзистора и точкой соединения первой обмотки вспомогательного трансформатора и второго диода,

отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, связь второго вывода вторичной обмотки силового трансформатора с дросселем фильтра осуществлена через вторую обмотку вспомогательного трансформатора.

2, Преобразователь поп. 1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что магнитопровод вспомогательного трансформатора состоит из двух сердечников, первый из которых выполнен

из феррита, а второй-из материала с линейной характеристикой намагничивания.

Использование: изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания. Сущность изобретения: преобразователь содержит транзистор 1, соединенный с блоком 2 управления, силовой трансформатор 3 с первичной обмоткой 4 и вторичной обмоткой 5, подключенной через выпрямитель 6 и дроссель фильтра 7 к выходным выводам. В узле формирования траектории переключения установлен вспомогательный трансформатор 11, у которого обмотка 13 включена последовательно с дросселем фильтра 7, а обмотка 12 соединена через диод 14 с конденсатором 9 и диодом 10, а также с входным выводом. Перед включением транзистора 1 конденсатор 9 заряжен до входного напряжения. Благодаря разряду конденсатора 9 через диод 10 спад коллекторного тока запирающегося транзистора 1 происходит при малом напряжении на нем, что уменьшает динамические потери и снижает вероятность вторичного пробоя. Восстановление напряжения на конденсаторе 9 при подготовке к следующему циклу работы производится путем перезаряда приведенным током нагрузки с помощью вспомогательного трансформатора 11 на интервале открытого состояния транзистора 1, при этом практически полностью исключены выбросы коллекторного тока, а также потери энергии. 1 з.п. ф-лы. 2 ил. (Л С