Преобразователь постоянного напряжения в постоянное Советский патент 1992 года по МПК H02M3/335 

1

(21)4886136/07

(22)28.11.90

(46) 23.09.92. Бюл. Мг 35

(71)Центральный научно-исследовательский радиотехнический институт

(72)В.И.Хандогин, Н.И.Стуковнин и А.В.Райкова

(56) Патент Великобритании № 195850. кл. Н 02 М 3/335, 1978.

Авторское свидетельство СССР № 1249666, кл. Н 02 М 3/335. 1984.

(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ (57) Использование: во в торичных источниках электропитания систем радиотехники, автоматики и вычислительной техники. Сущность изобретения : устройство содержит дроссель насыщения (1)с двумя сердечниками (2 и 3) и с расположенными на них рабочими обмотками (4 и 5) и обмотками управления (6 и 7), преобразователь постоянного напряжения в переменное (8) и вы

(Л

С

х| О

ь

а

ю

прямитель с и а груз ко и (9). Рабочие обмотки (4 и 5) дросселя насыщения (1) соединены последовательно и включены между выходом преобразователя постоянного напряжения в переменное (8) и входом выпрямителя (9). Обмотки управления (6 и 7) через линейный дроссель (10) и диод (11) подключены к дополнительному источнику. Два ключевых транзистора (15 и 16) через два дополнительных дросселя насыщения (19 и 20) подключены к диоду (11), входы ключевых транзисторов (15 и 16) соединены с дополнительным выходом преобразователя постоянного напряжения в переменное

Изобретение относится к электротехнике и используется во вторичных источниках питания систем радиотехники, автоматики и вычислительной техники.

Известен преобразователь постоянного напряжения в ток, содержащий входной трансформатор, дроссель насыщения, выпрямитель и фильтр, причем обмотка управления соединена с узлом управления. Недостатками данного устройства являются низкая надежность из-за большого количества соединений дросселя с выпрямителем и трансформаторов, отсутствие ограничения тока по входу (из-за использования свободного режима намагничивания) и низкий КПД из-за применения линейного регулирования тока управления.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является преобразователь постоянного напряжения в ток, содержащий дроссель насыщения с двумя сердечниками и с расположенными на них рабочими обмотками и обмотками управления, преобразователь постоянного напряжения в переменное, выпрямитель с нагрузкой, причем рабочие обмотки дросселя насыщения соединены последовательно и включены между выходом преобразователя постоянного напряжения в переменное и входом выпрямителя, линейный дроссель и диод, включенные последовательно с обмотками управления дросселя насыщения, дополнительный источник питания, подключенный одним зажимом к одному из выводов диода, з также узел управления насыщением дросселя насыщения, включающий схему сравнения, одним входом подключенную к выходу всего устройства, другим входом - к источнику эталонного напряжения, а выходом - ко входу регулирующего транзистора,

(8), вторичные обмотки (21 и 22) дополнительных дросселей насыщения (19 и 20) через диоды (23 и 24) соединены параллельно и подключены к конденсатору (25) и регулирующему транзистору (14). Изменение тока в обмотках управления (6 и 7) достигается изменением времени насыщенного состояния дополнительных дросселей (19 и 20). Надежность повышается за счет выполнения общей обмотки, размещаемой на соос- но расположенных сердечниках дросселя насыщения (1), выходного трансформатора и согласующего трансформатора, 6 з п. ф- лы, 9 ил.

Недостатками этого преобразователя являются: низкий КПД и надежность за счет сложности, связанные со следующими причинами:

- при изменении тока через управляющие обмотки дросселя насыщения линейный дроссель должен обеспечивать непрерывный ток. При отсутствии тока к линейному дросселю прикладывается переменное напряжение второй гармоники переменного напряжения преобразователя, однако из-за наличия диода и сопротивления потерь в сердечнике линейного дросселя возникает несимметричный переменный ток, который, усиливаясь, поступает в нагрузку. Причем из-за линейности дросселя (т.к. постоянства индуктивности при изменении тока через него в широких пределах) величина этого паразитного тока может быть значительна. Для компенсации влияния этого тока вводится подгрузка по выходным зажимам, снижающая КПД;

-при линейном регулировании тока через линейный дроссель на регулирующем

транзисторе выделяется значительная мощность, снижающая как КПД, так и надежность;

-при построении мощных преобразователей постоянного напряжения в ток (например, при токах через дроссель насыщения 50-100 А и выше) возникают трудности сочленения выводов выходного трансформатора, дросселя насыщения, согласующего трансформатора. Обеспечение

пайкой этих сочленений затруднено, а механические соединения снижают надежность. Цель изобретения - повышение КПД и надежности за счет исключения дополнительных соединений.

Поставленная цель достигается, что в преобразователь постоянного напряжения

в постоянное, содержащий дроссель насыщения с двумя сердечниками и с расположенными на них рабочими обмотками и обмотками управления, преобразователь постоянного напряжения в переменное, выпрямитель, соединенный с выходными выводами, причем рабочие обмотки дросселя насыщения соединены последовательно и включены между выходом преобразователя постоянного напряжения в переменное и входом выпрямителя, линейный дроссель и диод, включенные последовательно с обмотками управления дросселя насыщения, дополнительный источник питания, подключенный одним выводом к одному из выводом диода, а также узел управления насыщением дросселя насыщения, включающий в себя узел сравнения, одним входом подключенный к выходным выводам, другим - к источнику эталонного напряжения, а выходом - ко входу регулирующего транзистора, введены два ключевых транзистора, два дополнительных дросселя насыщения с первой и второй обмотками и сердечниками, отношение Br/Bs которых

равно нулю, два дополнительных диода и конденсатор, а преобразователь постоянного напряжения в переменное снабжен дополнительным выходом по переменному току, который подключен ко входам ключевых транзисторов,коллекторов,коллекторы которых соединены через первые обмотки дополнительных дросселей насыщения с общей точкой соединения диода и линейного дросселя, эмиттеры ключевых транзисторов подключены ко второму выводу дополнительного источника.питания, а вторые обмотки дополнительных дросселей насыщения соединения параллельно через дополнительные диоды к конденсатору, параллельно которому подключен регулирующий транзистор.

Поставленная цель достигается также тем, что рабочие обмотки основного дросселя насыщения включены согласно, а его обмотки управления включены встречно.

Преобразователь постоянного напряжения в переменное выполнен по схеме ключевого усилителя мощности с выходным трансформатором, а его выходная обмотка соединена с первой рабочей обмоткой основного дросселя насыщения согласно и выполнена в виде единой обмотки, намотанной на расположенные соосно сердечник выходного трансформатора и сердечники основного дросселя насыщения.

Между входом выпрямителя и рабочей обмоткой основного дросселя насыщения включен согласующий трансформатор, первичная обмотка которого включена согласно со второй рабочей обмоткой основного дросселя насыщения и выполнена в виде единой обмотки, намотанной на расположенные соосно сердечник согласующего 5 трансформатора и сердечники основного дросселя насыщения.

Обмотка выходного трансформатора преобразователя постоянного напряжения в переменное, рабочие обмотки основного

0 дросселя насыщения и первичная обмотка согласующего трансформатора включены согласно и выполнены в виде единой обмотки, намотанной на расположенные соосно сердечники выходного трансформатора

5 преобразователя постоянного напряжения в переменное, сердечники основного дросселя насыщения и сердечник согласующего трансформатора.

Диод зашунтирован дополнительно

0 введенным резистором.

Сердечник линейного дросселя выполнен составным из первого сердечника с высокой магнитной проницаемостью и второго сердечника с малой магнитной проницаемо5 стью при близких значениях индукции насыщения Bs у обоих.

На фиг. 1 показана структурная схема устройства; на фиг. 2-4 - принципиальные электрические схемы устройства; на фиг. 5 0 график, поясняющий характеристики сердечников дополнительных дросселей насыщения; на фиг. 6 - график, поясняющий характеристики составного сердечника линейного дросселя; на фиг. 7-9 - конструк5 тивное выполнение выходного трансформатора, основного магнитного усилителя, согласующего трансформатора.

Устройство на фиг. 1 содержит дроссель насыщения 1 с двумя сердечниками 2, 3 и

0 расположенными на них рабочими обмотка ми 4,5 и обмотками управления 6,7, преобразователь постоянного напряжения в переменное 8, выпрямитель с нагрузкой 9, причем рабочие обмотки 4,5 дросселя насы5 щения 1 соединены последовательно и включены между выходом преобразователя постоянного напряжения в переменное 8 и входом выпрямителя 9, линейный дроссель 10 и диод 11, включенные последовательно

0 с обмотками управления 6,7 дросселя насыщения 1, дополнительный источник питания Uдоп., подключенный одним зажимом к одному из выводов диода 11. Узел управления 12 насыщения дросселя насыщения 1 вклю5 чает схему сравнения 13, одним входом подключенную к выходу всего устройства, другим входом - к источнику эталонного напряжение l/эт, а выходом - ко входу регулирующего транзистора 14. Дополнительный выход по переменному току преобразователя постоянного напряжения в переменное 8 подключен ко входам ключевых транзисторов 15, 16, коллекторы которых соединены через первые обмотки 17, 18 дополнительных дросселей насыщения 19, 20 с общей точкой соединения диода 11 и линейного дросселя 10, Эмиттеры ключевых транзисторов 15,16 подключены ко второму зажиму дополнительного источника питания Удоп, а вторые обмотки 21, 22 дополнительных дросселей насыщения 19, 20 соединены параллельные через дополнительные диоды 23, 24 к конденсатору 25, параллельно которому также подключен регулирующий транзистор 14.

Диод 11 может быть зашунтирован резистором 26. Рабочие обмотки 4,5 основного дросселя насыщения 1 включены согласно, а его обмотки управления 6, 7 - встречно.

Фиг, 2 - преобразователь постоянного напряжения а переменное 8 выполнен по схеме ключевого усилителя мощности с выходным трансформатором 27, сердечником 28, а его выходная обмотка 29 соединена с первой рабочей обмоткой 4 основного дросселя насыщения 1 согласно.

Фиг. 3 - между входом выпрямителя 9 и рабочей обмоткой 5 основного дросселя насыщения 1 включен согласующий трансформатор 30 с сердечником 31, первичная обмотка 32 которого включена согласно со второй рабочей обмоткой 5 основного дросселя насыщения 1.

Фиг. 4 - обмотка 29 выходного трансформатора 27 преобразователя постоянного напряжения в переменное 8, рабочие обмотки 4, 5 дросселя насыа ения 1 и первичная обмотка 32 согласующего трансформатора 30 включены согласно.

Преобразователь постоянного напря- хсения в ток работает следующим образом. При подаче напряжения питания UBx на преобразователь постоянного напряжения в переменное 8 сердечники 2, 3 дросселя насыщения 1 начинают перемагничиваться. При этом наличие в цепи обмоток управления дросселя 10 предопределяет вынужденный режим перемагничивания, т.е. отсутствие состояния насыщения двух сердеч ников дросселя насыщения, При этом переменное напряжение подается на ключевые транзисторы 15, 16, которые попеременно в течение периода находятся в состоянии насыщения и режима отсечки. При открытом состоянии ключевого тран.зистора 15 или 16 сердечник дополнительного дросселя насыщения 19, 20 начинает намагничиваться и ток через ключевой транзистор 15 определяется током холостого хода дросселя. При насыщении сердечника дополнительного дросселя 19 ток через ключевой транзистор 15 скачком увеличивается, вызывая отключение диода 11 и поступление

тока в линейный дроссель 10 и обмотки управления 6, 7 дросселя насыщения 1. При смене полярности управляющего напряжения на ключевых транзисторах 15, 16 начинает перемагничиваться до насыщения

0 сердечник дополнительного дросселя насыщения 20. В это время энергии магнитного поля сердечника дополнительного дросселя насыщения 19 через обмотку 21, дополнительный диод 23 поступает в конденсатор

5 25. Изменением внутреннего сопротивления регулирующего транзистора 14 изменяется баланс запасенной и расходуемой энергии, поступаемой от дополнительных дросселей 19, 20. Тем самым фиксируется

0 интервал перемагничивания (максимальный интервал перемагничивания О, +Bs), что, в свою очередь, определяет скважность работы ключевых транзисторов 15, 16 по передаче тока в линейный дроссель 10. В

5 интервале закрытого состояния (интервал перемагничивания дополнительного дрос- селя насыщения) открыт диод 11 и обеспечивается рекуперация энергии дросселя 10 в обмотки управления б, 7 дросселя насыще0 ния 1. Таким образом, линейный дроссель выполняет две функции: элемента, сглаживающего переменную составляющую второй гармоники и элемента ключевого стабилизатора, обеспечивающего накопле5 ние и передачу энергии в нагрузку (обмотки управления). При уменьшении тока через

дроссель 10 требуется обеспечение непрерывного тока, что, в свою очередь, гарантирует режим вынужденного намагни0 чивания. Для этого сердечник линейного дросселя выполняется составным с параметрами сердечников, приведенных на фиг. 6, это позволяет при малых токах иметь большое значение индуктивности, а при

5 больших, за счет насыщения первого сердечника, меньшую, но обеспечивающую режим вынужденного намагничивания. При сбросе нагрузки ток через обмотки управления б, 7 дросселя насыщения 1 должен быть

0 нулевым, однако этого не происходит из-за наличия диода 11. Из-за потерь в сердечнике линейного дросселя 10 возникает несимметричный режим нагрузки на обмотки 6, 7 дросселя насыщения 1. Для компенсации

5 несимметрии тока и исключении постоянной составляющей включен резистор 26, который в непроводящий полупериод для диода 11 образует дополнительный контур, компенсирует наличие контура в другой полупериод, что обеспечивает уменьшение

постоянной составляющей, а, следовательно, и работу на малых рабочих токах нагрузки. Величина токов намагничивания дополнительных дросселей насыщения незначительна и составляет единицы миллиампер (сердечник К7хЗх2), что не влияет на характеристики устройства. Устранение дополнительных соединений дросселя насыщения к выходному трансформатору, согласующему трансформатору или выпрямителю (это особенно важно при больших токах нагрузки 20-100 и более ампер) достигается намоткой общей обмотки на сердечники дросселя насыщения, входного трансформатора, согласующего трансформатора. При этом должно обязательно выполняться условие: рабочая индукция сердечника выходного трансформатора должна быть не менее индукции насыщения сердечника дросселя насыщения,

Т.е. Вр28,31 BS2.3 при 528,31

252 25з,

где S28,3i; 82; 5з - площадь сечения сердечника выходного трансформатора 28, согласующего 31, дросселя насыщения 1. При таком условии достигается наиболее оптимальная форма интегрированного магнитного компонента, при котором внешние и внутренние диаметры сердечников равны, а высоты отличаются вдвое для выходного трансформатора по отношению к сердечникам дросселя насыщения, т.е.

П28 П31 2h2 2ПЗ Г12 + tl3.

Формула изобретения 1. Преобразователь постоянного напряжения в постоянное, содержащий дроссель насыщения с двумя сердечниками и с расположенными на них рабочими обмотками и обмотками управления, преобразователь постоянного напряжения в переменное, выпрямитель, соединенный с выходными выводами, причем рабочие обмотки дросселя насыщения соединены последовательно и включены между выходом преобразователя постоянного напряжения в переменное и входом выпрямителя, линейный дроссель и диод, включенные последовательно с обмотками управления дросселя насыщения, дополнительный источник питания, подключенный одним выводом к одному из выводов диода, а также узел управления насыщением дросселя насыщения, включающий в себя узел сравнения, одним из входов подключенный к выходным выводам, другим - к источнику эталонного напряжения, а выходом- - к входу регулирующего транзистора, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД и надежности путем упрощения, введены два ключевых транзистора, два дополнительных дросселя

насыщения с первой и второй обмотками и сердечниками, отношение Br/Bs которых равно нулю, два дополнительных диода и конденсатор, а преобразователь постоянно5 го напряжения в переменное снабжен дополнительным выходом по переменному току, который подключен к входам ключевых транзисторов, коллекторы которых соединены через первые обмотки дополнитель10 ных дросселей насыщения с общей точкой- соединения диода и линейного дросселя, эмиттеры ключевых транзисторов подключены к второму выводу дополнительного источника питания, а вторые обмотки

15 дополнительных дросселей насыщения присоединены параллельно через дополнительные диоды к конденсатору, параллельно которому подключен регулирующий транзистор.

0 2. Преобразователь по п. 1,отличаю- щ и и с я тем, что рабочие обмотки основного дросселя насыщения включены согласно, а его обмотки управления включены встречно.

5 3. Преобразователь по пп. 1 и 2, о т л и- чающийся тем, что преобразователь постоянного напряжения в переменное выполнен по схеме ключевого усилителя мощности с выходным трансформатором,

0 выходная обмотка которого соединена с первой рабочей обмоткой основного дросселя насыщения согласно и выполнена в виде единой обмотки, намотанной на расположенные соосно сердечник выходного

5 трансформатора и сердечник основного дросселя насыщения,

0 трансформатора преобразователя постоянного напряжения в переменное, рабочие обмотки основного дросселя насыщения и первичная обмотка согласующего трансформатора включены согласно и выполнены

5 в виде единой обмотки, намотанной на расположенные соосно сердечники выходного трансформатора преобразователя постоянного напряжения в переменное, сердечники основного дросселя насыщений и сердечник согласующего трансформатора.

щ и и и я тем, что сердечник линейного 5 значениях индукции насыщения Bs у обоих.

дросселя выполнен составным из первого сердечника с высокой магнитной проницаемостью и второго сердечника с малой магнитной проницаемостью при близких

Фиг.З

Фиг,6

Фиг. 7

Ц.

28(31} 5,32

Фиг. 8

Фиг. 9