Двухтактный преобразователь напряжения Советский патент 1993 года по МПК H02M7/538 

со ю о о

00

00

СА

Изобретение относится к источникам вторичного электропитания и может быть использовано для питания различных радиотехнических устройств.

Цель изобретения - повышение КПД двухтактного преобразователя напряжения и расширение области его применения.

.На фиг. 1, 2 приведены примеры конкретной реализации двухтактного преобразователя напряжения. .

Двухтактный преобразователь напряжения содержит блок запуска 1 и силовые транзисторы 2 и 3, коллектор каждого из которых через соответствующую первую 4 и вторую 5 обмотки токового трансформатора 6 присоединен к соответствующему концу обмотки 7 выходного трансформатора 8. средняя точка которой соединена с первой цепью питания 9 преобразователя, при этом базы силовых транзисторов 2-й 3 соединены со второй цепью питания 10 преобразователя, а эмиттеры силовых транзисторов 2 и 3 подключены к первым выводам соответственно третьей 11 ;и четвертой .12 обмоток токового Трансформатора 6. Двухтактный преобразователь напряжения содержит также две цепочки из последовательно соединенных диодов 13, 14 и 15, 16, диоды 17-20 и транзисторные ключи 21 и 22. Транзисторные ключи 21 и 22 зашунтированы соответственно первым 17 и вторым 18 диодом в обратном направлении и включены последовательно между второй цепью питания 10 и вторыми выводами соответственно третьей 11 и четвертой 12 обмоток токового трансформатора б, каждая из которых за- шунтирована цепочкой из последовательно соединенных диодов 13,14 и 15,16. Третий 19 и четвертый 20 диоды включены к обратном направлении между второй цепью питания 10 и соответствующим концом обмотки 7 выходного трансформатора 8. Базы силовых транзисторов соединены со вто- рой цепью питания . 10 через соответствующие цепочки из параллельно соединенных резистора 23, 24 и диода 25, 26,

На фиг. 1 управляющие входы транзисторных ключей 21 и 22 являются управляющими входами преобразователя, и подключены к выходу блока запуска 1, который в данном случае является задающим генератором, выполненным по любой из известных схем, например, по схеме автогенератора с магнитными связями, вторичные обмотки трансформатора которого являются выходом задающего генератора.

Пятая обмотка 27 (см.фиг.2) токового трансформатора 6 снабжена отводом от середины обмотки, соединенным со второй

цепью питания 10, а концы пятой обмотки 27 подключены к управляющим входам транзисторных ключей 21 и 22, при этом выход блока запуска подключен к одной из 5 обмоток токового трансформатора б.

Токовый трансформатор 6 может выполняться на двух тороидальных магнитных сердечниках 28 и 29, у которых Bs2eQc28

BS29QC29, где BS29,BS28 И Qc28, QC29 - ИНДуК0 ция насыщения и сечение соответственно первого 28 и второго 29 сердечников, при этом на первом 28 из них размещена пятая обмотка 27, а Первая 4, вторая 5, третья 11 и четвертая 12 обмотки охватывают одно5 временно оба сердечника 28 и 29.

Токовый трансформатор б может иметь дополнительную обмотку 30 и выполняться на трех тороидальных магнитных сердечниках 28-31, У КОТОРЫХ BS31QC27 e BS28QC29

0 BS29Q29. где BS31, BS28, BS29 И QC31, QC28,

Qc29 - индукция насыщения и сечение соответственно сердечников 31,28,29, при этом пятая обмотка 27 охватывает одновременно сердечники 31 и 28. а первая 4, вторая 5,

5 третья 11 и четвертая 12 обмотки охватывают одновременно сердечники 31, 28 и 19, кроме топхдополнительная обмотка 30 подключена к источнику тока 32. Сердечник 31, обмотка 30 и источник тока 32 показаны на

0 фиг.2 пунктиром. Транзисторные ключи 21 и 22 выполнены на полевых транзисторах с допустимым напряжением сток-исток меньше напряжения на цепях питания 9 и 10 преобразовате5 ля, затвор и исток которых являются управляющими входами транзисторного ключа.

Блок запуска 1 на фиг . 2 выполнен на однопереходном транзисторе 33 с времяза0 дающей RC-4enbK 34,35, при этом дополнительный диод 35 включен между коллектором одного из силовых транзисторов (2) и точкой соединения резистора 34 и конденсатора 35 RC-цепи, причем выход за5 пуска 1 подключен к пятой обмотке 27 токового трансформатора 6.

Двухтактный преобразователь напряжения работает следующим образом. При подаче на входные цепи 9, 10 (см.фиг. 1) на0 пряжения питания 1)пит, задающий генератор 1 вырабатывает прямоугольные импульсы, поступающие на транзисторные ключи 21 и 22. При условии, что другие цепи запуска не предусмотрены, дополнитель55 ный выход задающего генератора 1 соединяется с пятой обмоткой 27 трансформатора тока 6 (показано пунктиром). При этом наводится переменное напряжение на всех обмотках трансформатора тока б и при одном из открытых транзисторных ключей 21 или

22 полярность напряжения на обмотках 11, 12 такова, что открывается силовой транзистор 2 или 3, например, силовой транзистор 2 (3). В результате начинает развиваться блокинг-процесс. при котором протекает ток по цепи: входная цепь 9. обмотка 7 выходного трансформатора 8, обмотка 4(5) трансформатора тока 6. силовой транзистор 2(3), обмотка 11(12) трансформатора тока 6, транзисторный ключ 21(22), выходная цепь 10. В базовую цепь силового транзистора 2(3) трансформируется базовый ток из обмотки 4(5) трансформатора тока 6. Базовый ток замыкается по цепи: обмотка 11(12) трансформатора тока 6, базо-эмиттерный переход силового транзистора 2(3), резистор 23(24), транзисторный ключ 21(22). Силовой транзистор 2(3} включен по схеме с общей базой, в связи с этим отношение вит- ков обмоток 4(5) и 11(12) равно: W4(5):Wii(i2) 1,2:1,0, что соответствует соотношению базового (б) и коллекторного (I)

I токов (б - К обмотке 11(12) приложено

5

напряжение, равное:

UW11(12) ибэ2(3) + 1б R23(24) + + U™21(22) U 13(15) + U 14(15).

где ибэ2(3) напряжение база-эмиттер силового транзистора 2(3);

Ucn2i(22) напряжение сток-исток транзисторного ключа 21(22);

Ui3(i5), U 14(16) - падение напряжения на диодах 13(15). 14(16).

Устранение несимметричного режима перемагничивания сердечника трансформатора тока 6 достигается в-ведением резистора 23(24), который нормализует разброс падений напряжений на базо-эмиттерном переходе силового транзистора 2(3) и напряжения сток-исток на транзисторном ключе 21(22). При смене полярности управляющего напряжения на выходе задающего генератора в момент запирания транзисторного ключа 21(22) прекращается ток силового транзистора 2(3), происходит отключение эмиттерной цепи (обрыв по эмиттеру - эмиттерная коммутация), при этом на интервале рассасывания ток коллектора устремляется через коллекторно- базовый переход силового транзистора 2(3) и диод 25(26). При этом ток, наводимый в обмотке 4(5) трансформатора тока 6 замыкается в обмотке 11(12) через диоды 13(15), 14(16). На обмотке 12(11) продолжает формироваться запирающее напряжение при открытом транзисторном ключе 22(21). Это обеспечивает полное исключение режима сквозных. токов. После рассасывания кол- лекторно-бйзового перехода силового транзистора 23) последний эапирлгм; ч Про к мл щается ток через обмотку 4(5) трансформл тора тока 6. Напряжения ня его обмотка меняют спою полярность, что способствует развитию блокинг-процесса для силового транзистора 3(2).

Таким Образом, в преобразователе обеспечивается наиболее благоприятный режим коммутации силовых транзисторов 2,

0 3 при жесткой связи коллекторных и базовых обмоток (4, 11, 5,12) трансформатора тока б (коэффициент трансформации КТр 1:1.2). что исключает влияние его паразитных параметров и ускоряет блокинг5 процесс.

На фиг. 2 показан вариант автоколебательного преобразователя. 8 данном случае блок запуска 1 формирует импульс запуска, при котором одновременно открываются

0 силовой транзистор 2(3) и транзисторный ключ 21(22) из-за магнитной связи между сердечниками 28, 29. Открытие транзисторного ключа 21 (22) приводит к открытию силового транзистора 2(3) и развитию

5 блокинг-процесса. При этом силовой транзистор 2(3) поддерживается насыщенным обмоткой 11(12) через транзисторный ключ 21(22), который поддерживается в режиме насыщения обмоткой 27 трансформатора

0 тока 6. В связи с тем, что эти обмотки размещены на различных сердечниках (28 и 29). при условии .8s2aQc28 Bs2°Qc29 первый сердечник (28) насыщается, и напряжение на обмотке 27 падает до нуля. При этом

5 транзисторный ключ 21(22) закрывается и обеспечивает змиттерную коммутацию силового транзистора 2(3). Рассасывающий ток протекает через коллекторно-базовый переход силового транзистора 2(3) и диод

0 25(26). Ток, протекающий через обмотку 4(5) трансформатора 6 замыкается через диоды 13(15), 14(16) и обмотку 11(12) насыщенного сердечника (29). На обмотке 12(11) продолжает наводиться отрицательное напряже

5 ние, поступающее через диод 18(17) к базо-эмиттерному переходу силового транзистора 3(2). а транзисторный ключ 22(21) при этом заперт. После окончания рассасывания силовой транзистор 2(3) запирается,

0 ток через обмотку 4(5) резко прекращается, ток обеспечивает изменение полярности напряжения на всех обмотках трансформатора тока 6 и начало блокинг процесса, как для транзисторного ключа 22(21). так и для

5 силового транзистора 3(2).

Для обеспечения регулирования часто ты преобразования источник тока 32 регулирует ток через обмотку 30, две половины которой включены встречно и рлзмещеь ь на сердечниках 28 и 31 (показано пунк.-.и

ром} М- м тнение тока в обмотке 30 приводит к. подмагничиванию сердечников 28. 31 и изменению их индукции BS: одного из сердечников 28 или 31 в сторону (-+-Bs). дру- ггто - (8s). Суммарное переключение обеспечивается насыщением обоих сердечников 28 и 31, причем формирование отрицательной полуволны обеспечивает один сердечник (28), положительной полуволны -другой (31). Отсутствие тока подмагничивания соответствует минимальной частоте преобразования. Для формирования симметричного напряжения параметры сердечников 28 и 31 должны быть идентичными: Qc20 Осзт,

В $28 BS31.

Для начального запуска преобразователя может использоваться блок запуска 1 на аднопереходном транзисторе 33 с времяза- дающей цепью 34. 35. При этом диод 35 обеспечивает блокировку блока запуска 1 после запуска преобразователя путем шунтирования конденсатора 34 через диод 35 периодически открывающимся силовым транзистором 2

В предложенном преобразователе обеспечивается симметричная работа двух плечей, полностью исключен режим сквозных токов, силовые транзисторы работают по схеме с общей базой с эмиттерной коммутацией и пропорционально-токовым управлением, что обеспечивает их быстродействие и приводит к снижению потерь мощности в них, обеспечивает необходимые траектории переключения. Все это повышает КПД преобразователя, появляется возможность использования менее быстродействующих силовых транзисторов, имеющих меньшую стоимость, а также возможность повышения частоты преобразования, что в свою очередь расширяет область применения преобразователя. Кроме того, обеспечение автоколебательного режима упрощает схему преобразователя, уменьшает его массу и габариты за счет исключения элементов задающего генератора и, следовательно, потерь мощности в них. Возможностьрегулирования частоты преобразования позволяет либо стабилизировать ее в необходимых случаях, либо осуществлять оптимальное регулирование для снижения потерь мощности в преобразователе. Все это способствует повышению КПД двухтактного преобразователя напряжения и расширению области его применения. Использование полевых транзисторов в качестве транзисторных ключей дополнительно обеслечивйог высокое быстродействие и мало гфемн переключения силовых трзнзи- с торов, чго приводит к повышению КПД

преобразователя и расширению области его применения.

Предложенное техническое решение было проверено. Двухтактный преобразователь напряжения выполнялся по схеме на фиг. 2 с использованием силовых транзисторов 2, 3 типа КТ854 А, транзисторных ключей КТ117 г. Основные технические характеристики преобразователя: напряже0 ние литания 11Пит 140 В; мощность нагрузки 100 Вт; частота преобразования 40 кГц; КПД - 95%. 8 качестве базового объекта выбрано устройство, реализованное по схеме, приведенной в 2. По сравне5 нию с базовым объектом предложенное техническое решение имеет КПД на 4% выше, снижены масса и габариты теплоотво- дящих конструкций для транзисторов.

Таким образом, предложенное техни0 ческое решение позволяет повысить КПД и расширить область применения двухтактного преобразователя напряжения. Формула изобретения .1. Двухтактный преобразователь на5 пряжения. содержащий блок запуска и силовые транзисторы, коллекторы которых через соответствующие первую и вторую обмотки токового трансформатора присоединены к соответствующим концам обмот0 ки выходного трансформатора, средняя точка которой соединена с первым входным выводом, при этом эмиттеры силовых транзисторов подключены к первым выводам соответственно третьей и четвертой обмо5 ток токового трансформатора, имеющего также пятую обмотку, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД и расширения области применения, а него введены две цепочки из последовательно соединен0 ных диодов, две цепочки из параллельно соединенных резисторов и диода, четыре диода w два транзисторных ключа, ззшун- тированных соответственно первым и вторым диодами, включенными в обратном

5 направлении, и включенных последовательно между вторым входным выводом и вторыми выводами соответственно третьей и четвертой обмоток токового трансформатора, каждая из которых зашунтироеана це0 почкой из последовательно соединенных диодов, при этом третий и четвертый диоды включены в обратном направлении между вторым входным выводом и соответствующим концом обмотки выходного трансфор5 матора, кроме того, пятая обмотка токового трансформатора и управляющие зходы транзисторных ключей являются управляющими входными ЫРОДЗМИ препбразоаате- ля. и базы силOR их транзисторов

СОеДИНеНН С ВТОРЫМ ВХОДНЫМ ,M 41

реэ соответствующие цепочки из параллельно соединенных резистора и диода.

2. Преобразователь поп. 1, отл ича ю- щ и и с я тем. что пятая обмотка токового трансформатора снабжена отводом ее от средней точки, соединеннымс вторым входным выводом, а концы пятой обмотки токового трансформатора подключен к управляющим входам транзисторных ключей, при этом выход блока запуска подключен к одной из обмоток токового трансформатора.

3. Преобразователь по п.2, отличающийся тем, что токовый трансформатор выполнен на двух тороидальных магнитных сердечниках, у которых Bsi Qct BszQcz. где Bsi, 852 и Qci Qc2 - индукции насыщения и сечения соответственно первого и второго сердечников, при этом на первом из них размещена пятая обмотка, а первая, вторая, третья и четвертая обмотки охватывают одновременно два сердечника.

4. Преобразователь по п.2, отличающийся тем, что в него введен источник тока, а токовый трансформатор снабжен дополнительной обмоткой и выполнен на трех тороидальных магнитных сердечниках, у которых BsiQci Bs2Qc2 ВззОсз. где BSL Bs2,, Взз и Qci, Qc2. Осз - индукции насыщения и сечения соответственно первого,

второго и третьего сердечников, причем половины дополнительной обмотки включены встречно и размещены соответственно на первом и втором сердечниках, при этом пртая обмотка охватывает одновременно пер вый и второй сердечники, а первая, вторая, третья и четвертая обмотки охватывают одновременно первый, второй и третий сердечники, кроме того, дополнительная

обмотка подключена к источнику тока.

5. Преобразрватель по пп. 1-4, о т л и- чающийся тем, что транзисторные ключи выполнены на полевых транзисторах с допустимым напряжением сток-исток меньше напряжения на входных выводах преобразователя, затвор-исток которых являются управляющими входами транзисторных ключей.

6. Преобразователь по пп.2-5, о т л и- чающийся тем, что, в него, введен дополнительный диод, а блок запуске выполнен на однопереходном транзисторе с времязадающей RC-цепьнх при этом дополнительный диод включен между коллекто- ром одного из силовых транзисторов и точкой соединения резистора и конденсатора времязадающей RC-цепи, приче м выход блока запуска подключен к пятой обмотке токового трансформатора.

-т

8

Использование: для питания различных радиотехнических устройств. В преобразователе Достигаются повышение КПД и расширение области применения за счет введе- ния в каждое плечо цепочки из последовательно соединенных диодов 13, 14 и 15. 16 цепочки из параллельно соединенных резистора 23,24 и диода 25,26 транзисторно то- ключа 21, 22 и двух диодов 17, 19. В преобразователе реализуются эмит- терная коммутация и пропорционально-токовое управление силовыми транзисторами 2,3, включенными по схеме с общей базой. Это повышает быстродействие и снижает потери мощности в силовых транзисторах. Кроме того, реализуются автоколебательный режим работы преобразователя и возможность регулирования и стабилизации частоты преобразования. 6 з.п.ф-лы, 2 ил,

Я

гЯ