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

Однотактный преобразователь постоянного напряжения относится к области промышленной электроники и может использоваться в источниках вторичного электропитания, устройствах электропривода и т.д.

Известен однотактный преобразователь постоянного напряжения, содержащий транзистор и конденсатор, соединенный с коллектором транзистора и с последовательной цепью из дросселя и двух диодов, подключенной ко входным выводам преобразователя, причем один из диодов зашун- тирован резистором.

Известен также однотактный преобразователь -постоянного напряжения, содержащий транзистор, последовательную цепь из двух диодов и дросселя, конденсатора, соединяющего коллектор транзистора с ос- ледоБательной цепью, и третий диод.

Недостаток прототипа заключается в том, что в нем не во всех режимах обеспечивается полный перезаряд конденсатора,

формирующего траекторию переключения транзистора, в результате чего в момент его. запирания происходит скачкообразное увеличение напряжения, и спад коллекторного тока проходит при достаточно большом напряжении на транзисторе. При этом в нем выделяются существенные динамические потери, снижающие КПД и надежность преобразователя. Отмоченный скачок напряжения может быть устранен путем шунтирования одного из диодов резистором, однако КПД преобразователя останется низким.

Целью изобретения является повышение КПД однотактного преобразователя постоянного напряжения.

С этой целью в однотактном преобразователе постоянного напряжения, содержащем транзистор, подключенный эмиттером к первому входному выводу преобразователя, а коллектором - к первому выходному выводу преобразователя и к первому вывосл

С

о о о

у первого конденсатора, агорой вывод коорого соединен с первым выводом первого иода и через цепочку из последовательно включенных дросселя и второго диода соеинен с эмиттером транзистора, второй конденсатор, подключенный первым вывоом к коллектору транзистора, а вторым выводом через третий диод, шунтированный резистором - ко второму выводу преобразователя, являющимся одновременно вторым выходным выводом преобразователя, второй вывод первого диода соединен со вторым выводом второго конденсатора, причем первый, второй и третий диоды включены в полярности согласно последовательно по отношению друг к другу и встречно по отношению к полярности напряжения на входных выводах преобразователя.

На чертеже изображена схема предлагаемого однотактного преобразователя постоянного напряжения.

Однотактяый преобразователь постоянного тока содержит транзистор 1, нагрузку 2, первый 3 и второй 4 конденсаторы, первый 5, второй 6, третий 7 диоды, резистор 8, дроссель 9, первый 10 и второй 11 входные зажимы. На чертеже для удобства описания устройства в качестве нагрузки 2 показана выходная цепь однотактного преобразователя с обратным включением диода, содержащая трансформатор 12, выпрямитель 13, фильтр 14. нагрусху 15. Емкость конденсатора // значительно меньше емкости конденсатора 3,

Транзистор 1 и нагрузка 2 подключены к nepE .-My 1G и второму 11 входным выводам. К эт лм я--е выводам подключена последовательная цепь на обмотки дросселя 9 и диодов 5, 6, 1. К точке соединения транзистора 1 и нагрузки 2 присоединены конденсаторы 3 и 4, вторые выводы которых подключены соответственно к общей точке диодов 5, 6 и 5, 7. Диод 7 зашунтирован резистором 8.

Рассмотрим принцип работы предлагаемого устройства, После выключения транзистора 1 конденсаторы 3 и 4 под действием тока нагрузки 2 заряжаются с полярностью, показанной на чертеже без скобок, до напряжений на них соответственно UC1 и UC2, равных между собой и равных напряжению на нагрузке 2, которое определяется суммой приведенного напряжения на фильтре 14 и напряжения, создаваемого разрядом индуктивности рассеяния трансформатора 12. Заметим, что на практике эти напряжения, как правило, ниже напряжения питания на входных выводах 10 и 11, особенно

при использовании промышленной сети переменного тока.

При включении транзистора 1 напряжение на нем быстро спадает до нуля, и на

нагрузку 2 подается напряжение питания Е. Левые по схеме обкладки конденсаторов 3 и 4 оказываются соединенными с первым входным выводом 10, поэтому диоды 6 и 5 отпираются, и образуется резонансный кон0 тур, состоящий из параллельного соединения конденсаторов 3, 4 и дросселя 9, По мере перезаряда конденсаторов 3, 4 напряжения на них меняют свой знак (показаны на чертеже в скобках), и положительный по5 тенциал их левых обкладок увеличивается до момента, когда диоды 6 и 5 закроются. Если бы перезаряд конденсаторов 3 и 4 происходил в идеальных условиях, без потерь, то на них установились бы напряжения с

0 новой полярностью, обратной предыдущей, по модулю равные UC1 и UC2. т.е. ниже Е. На практике же из-за потерь в резонансной цепи эти напряжения еще меньше.

После запирания диода б запирается и

5 диод 5, и с то время, как напряжение на конденсаторе 3 остается неизменным, напряжение на конденсаторе 4 продолжает возрастать поскольку его дальнейший перезаряд происходит через резистор 8, При вы0 боре постоянной времени перезаряда конденсатора 4 через резистор 8, равной произведению их емкости м сопротивления, второе меньшей длительности включенного состояния транзистора 1, к моменту запира5 чия последнего конденсатор 4 успеет зарядиться до напряжения Е. Поставленное условие выполнить несложно, поскольку конденсатор 4. играет вспомогательную роль, и его емкость может быть на порядок

0 меньше, чем у конденсатора 3.

При запирании транзистора 1 ток нагрузки 2 первым открывает диод 7 и, протекая через него, начинает перезаряжать конденсатор 4. Благодаря этому налряже5 нию на транзисторе 1 плавно, хотя и быстро, возрастает с нуля, давая тем самым возможность большей части тока коллектора спасть при еще низком напряжении на нем. После того, как напряжения на конденсаторах 3 и

0 4 сравняются, откроется диод 5, и ток нагрузки 2 начнет протекать через параллельное соединение конденсаторов 3 и 4, в результате чего скорость нарастания напряжения на транзисторе 1 в еще большей сте5 пени замедлится, что улучшит траекторию переключения. В конечном счете, под действием тока нагрузки 2 произойдет смена полярности напряжений & конденсаторах 3 и 4 и станет такой, какой она показана на чертеже без скобок.

Таким образом, форма напряжения на транзисторе 1 представляет собой ломанную линию, содержащую участок сравнительно быстрого нарастания напряжения с О до равности напряжений Е- UC1, который формируется конденсатором 4. и участок более медленного роста напряжения с предыдущего значения до максимального, формируемого конденсатором 3, При больших напряжениях питания и при малых токах нагрузки, когда напряжение UC1 невелико, формирование траектории переключения осуществляется вспомогательной цепью с конденсатором 4, а по мере возрастания нагрузки - во все большей степени основной цепью с конденсатором 3.

Однотактный преобразователь постоянного напряжения сохраняет работоспособность и в том случае, когда дроссель 9, помимо показанной на чертеже обмотки, содержит и дополнительные, например размагничивающие обмотки,

В предлагаемом устройстве коммутации в номинальном режиме работы конденсатор вспомогательной цепи формирования траектории переключения при подготовке к следующему циклу включения транзистора перезаряжается в основном через дроссель и лишь частично, на конечном этапе, через резистор; Вследствие этого потери на перезаряд уменьшаются и КПД выше, чем у прототипа.

Формула изобретения

Однотактный преобразователь постоянного напряжения, содержащий транзистор, подключенный эмиттером к первому входному выводу преобразователя, а коллектором - к первому выходному выводу

преобразователя и к первому выводу первого конденсатора, второй вывод которого соединен с первым выводом первого диода и через цепочку из последовательно включенных дросселя и второго диода соединен с

эмиттером транзистора, второй конденсатор, подключенный первым выводом к коллектору транзистора, а вторым выводом через третий диод, шунтированный резистором, - к второму входному выводу преобразователя, являющемуся одновременно вторым выходным выводом преобразователя, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, второй вывод первого диода соединен с вторым выводом второго

конденсатора, причем первый, второй и третий диоды включены в полярности согласно последовательно по отношению друг к другу и встречно по отношению к полярности напряжения на входных выводах преобразователя.

Использование: преобразование постоянного напряжения в переменное для систем вторичного электропитания и электропривода. Сущность изобретения: при выключении транзистора i конд-ры 3, 4 заряжаются через диоды 5, 7, обеспечивая уменьшение потерь в транзисторе. При включении транзистора 1 кондр-ры 3, 4 перезаряжаются через дроссель 9 и диоды 5, 6, а кондр-р 4 дополнительно перезаряжается через резистор 8. При выключении транзистора 1 вначале открывается диод 7 и быстро перезаряжает кондр-р 4, так как емкость конд-ра 4 в несколько раз меньше, чем конд-ра 3. Благодаря этому уменьшаются потери на перезаряд конденсаторов 3, 4. 1 ил.