Регулируемый двухтактный преобразователь постоянного напряжения Советский патент 1993 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к электротехнике;и предназначено.для использования в системах,вторичного электропитания.

Цель-изобретения - повышение надежности регулируемого двухтактного преобра- зователя постоянного напряжения путем упрощения его структуры.

В преобразователь, содержащий более двух силовых транзисторов, введены по числу дополнительных силовых транзисторов дополнительно: основные и дополнительные обмотки в коммутирующий трансформатор, отпирающие и замыкающие в модулирующий трансформатор, модулирующие транзисторы, связи между, которыми выполнены по схемам для силовых транзисторов, открытых в полутакте с первым силовым транзистором, как для этого транзистора, для силовых транзисторов, открытых в полутакте со вторым силовым транзистором, как для этого транзистора.

Предлагаемое построение схемы регулируемого двухтактного преобразователя постоянного напряжения позволяет, используя дополнительно свойства коммути- рующих трансформатора и транзисторов, осуществлять широтно-импульсную модуляцию импульсов управления силовыми транзисторами без введения в структуру преобразователя отдельно ШИМ с деухпо- лярным выходом, т.е. позволяет по сравнению с прототипом упростить структуру преобразователя и таким путем повысить его надежность.

На фиг.Т представлена схема предлэ- гаемого регулируемого двухтактного преобразователя постоянного напряжения, выполненного по полумостовой схеме; на фиг,2 представлены идеализированные кривые напряжений и токов элементов пре- образователя, где ш, 1б1 - токи баз силовых транзисторов 1 и 2; Ьм - ток первой замыкающей обмотки (положительный участок кривой) и ток второй замыкающей обмотки (отрицательный участок кривой) модулирую- щего трансформатора; у - ток управления, протекающий по замыкающим обмоткам модулирующего трансформатора, равный сумме тока базы модулирующего транэистр ра и трансформируемого в замыкающую об- мотку тока управляющей обмотки; Ту - измененный уровень тока управления; 1К1, 1к2 - уровни токов коллекторов модулирующих транзисторов, при которых дальнейший их роет ограничен заданным током базы и коэффициентом усиления; 1Ьг напряжение на выходе задакж1его генератора; на фиг.-З представлен вариант предлагаемого преобразователя, выполненного по схеме

со средней точкой первичной обмотки силового трансформатора.

Регулируемый двухтактный преобразователь постоянного напряжения (фиг.1) выполнен по полумостовой схеме с силовым трансформатором, к выходной обмотке которого подключена нагрузка через выпрямитель и сглаживающий фильтр.

Преобразователь содержит первый 1 и второй 2 силовые транзисторы, задающий генератор 3, коммутирующий трансфррма- тор 4, первый 5 и второй 6 модулирующие транзисторы, модулирующий трансформатор 7, звено обратной связи 8 и узел 9 согласования. Первичная обмотка 10 коммутирующего трансформатора 4 подключена к выходу задающего генератора 3.

Первая основная обмотка 11 коммутирующего трансформатора 4 началом подключена к коллектору первого модулирующего транзистора 5, а концом - к началу первой дополнительной обмотки 12 того же трансформатора 4 и к эмиттеру первого силового транзистора 1. в

Вторая основная обмотка 13 коммутирующего трансформатора 4 концом подключена к коллектору второго модулирующего транзистора 6, а началом - к концу второй дополнительной обмотки 14 того же трансформатора 4 и эмиттеру второго силового транзистора 2.

Эмиттер первого модулирующего транзистора 5 соединен с концом первой отпирающей 17 и началом первой отпирающей 17 и началом первой замыкающей 18 обмоток модулирующего трансформатора 7 и через первый токоограничивающий резистор 25 - с базой первого силового транзистора 1.

Конец первой замыкающей обмотки 18 модулирующего трансформатора 7 через первый замыкающий диод 19 соединен с концом первой дополнительной обмотки 12 коммутирующего трансформатора 4.

Начало первой отпирающей обмотки 17 модулирующего трансформатора 7 через первый токоформирующий элемент 20 соединено с базой первого модулирующего транзистора 5.

Эмиттер второго модулирующего транзистора 6 соединен с началом второй отпирающей 22 и концом второй замыкающей 23 обмоток модулирующего трансформатора 7 и через второй токоограничивающий резистор 26 - с базой второго силового транзистора 2..

Начало второй замыкающей Обмотки 23 модулирующего трансформатора 7 через второй замыкающий диод 21 соединено с

началом второй дополнительной обмотки 14 коммутирующего трансформатора 4,

Конец второй отпирающей обмотки 22 модулирующего трансформатора 7 через второй токоформирующий элемент 24 соединен с базой второго модулирующего транзистора 6.

Управляющая обмотка 27 модулирующего трансформатора 7 через узел 9 согласования, выполненный в виде двухпо- лупериодного выпрямителя, подключен к выходу звена 8 обратной связи. Вход звена 8 обратной связи подключен к выходу сглаживающего фильтра, куда подключено так же сопротивление нагрузки преобразователя.

Звено 8 обратной связи может быть выполнено в виде известной схемы сравнения выходного напряжения преобразователя с опорным напряжением и последующим усилением сигнала рассогласования.

Встречно-параллельно переходам база-эмиттер силовых транзисторов 1 и 2 включены шунтирующие диоды 28 и 29. Параллельно переходам эмиттер-коллектор модулирующих транзисторов 5 и 6 включены пусковые цепочки-резисторы 30 и 31. Последовательно с замыкающими диодами могут быть включены дополнительные резисторы.

На фиг.1 они показаны пунктиром.

Регулируемый двухтактный преобразователь постоянного напряжения работает следующим образом.

Задающий генератор 3 вырабатывает двухполярные импульсы напряжения прямоугольной формы, которые поступают на первичную обмотку 10 коммутирующего трансформатора 4 и трансформируются в его вторичные обмотки.

Предположим, что в момент времени to (см. фиг.2) на обмотках коммутирующего трансформатора 4 появляется напряжение управляющих импульсов с полярностью, указанной на фиг.1 вне скобок.

Напряжение с первых основной 11 и дополнительной 12 обмоток коммутирующего трансформатора 4 через первый замыкающий диод 19 и пусковой резистор 30 прикладывается к первой замыкающей обмотке .18 модулирующего трансформатора 7. Это напряжение трансформируется в другие обмотки трансформатора 7. При этом напряжение второй отпирающей обмотки 22 прикладывается к переходу база-эмиттер второго модулирующего транзистора 6 в запирающем напряжении, а ток через вторую замыкающую обмотку 23 блокируется со стороны дополнительной обмотки 14 коммутирующего трансформатора замыкающим

диодом 21 и со стороны самой обмотки 23 - закрытым модулирующим транзистором 6. В то же время появление некоторого напряжения на первой отпирающей обмотке 17 5 модулирующего трансформатора 7 вызывает появление некоторого тока базы модулирующего транзистора 5. Транзистор 5 приоткрывается. В результате уменьшается падение напряжения на переходе эмиттер0 коллектор этого транзистора и увеличиваются напряжения на замыкающей 18 и отпирающей 17 обмотках модулирующего трансформатора 7. Ток базы модулирующего транзистора 5 возрастает, и этот транзи5 стор приоткрывается еще больше. Возникает лавинообразный процесс открывания модулирующего транзистора 5. Через открытый модулирующий транзистор 5 к замыкающей обмотке 18 прикладывается сум0 марное напряжение обмоток 11 и 12 коммутирующего трансформатора 7 за вычетом падения напряжения на замыкающем диоде 19. Через обмотку 18 модулирующего трансформатора 7 начинает протекать ток

5 по цепи начало обмотки 11 - переход эмиттер-коллектор модулирующего транзистора 5 - обмотка 18 - замыкающий диод 19 - конец обмотки 12. Одновременно через открытый модулирующий транзистор 5 и огра0 ничивающий резистор 25 от обмотки 11 коммутирующего трансформатора 7 начинает втекать ток в базу первого силового тран- зистора 1. Этот транзистор открывается. Ток замыкающей обмотки 18 модулиру5 ющего трансформатора 7 равен сумме тока нагрузки и тока намагничивания этого трансформатора. Ток нагрузки модулирующего трансформатора 7 имеет две составля- ющие, которые можно считать

0 неизмененными на интервале намагничивания трансформатора. Это ток базы модулирующего транзистора 5, протекающий через токоформирующий элемент 20, и ток управления, протекающий по управляющей

5 обмотке 27. Оба этих тока, трансформируясь, протекают по замыкающей обмотке 18. Ток намагничивания, протекающий также по обмотке 18, нарастает на интервале намагничивания модулирующего трансформа0 тора 7 по закону, близкому к линейному. Таким образом, через открытый модулирующий транзистор 5 начинает протекать ток базы первого силового транзистора 1 и линейно нарастающий ток замыкающей об5 мотки 18 модулирующего трансформатора 7, В момент времени ti, когда сумма нарастающего тока обмотки 18 и тока базы силового транзистора 1 становится равной значению тока коллектора модулирующего транзистора 5, определяемого значениями

тока базы, задаваемого гокоформирующим элементом 20, и коэффициентом усиления тока этого транзистора; сопротивление перехода эмиттер-коллектор модулирующего транзистора 5 и падение напряжения на нем начинают возрастать, а напряжение на замыкающей обмотке 18 начинает уменьшаться. Это приводит к уменьшению напряжения на отпирающей обмотке 17, уменьшение тока базы модулирующего транзистора 5 и еще большему увеличению сопротивления перехода эмиттер-коллектор этого транзистора и падения напряжения на нем. В результате возникшего лавинообразного процесса увеличения сопротивления перехода эмиттер-коллектор модулирующего транзистора 5 напряжение,на замыкающей 18 и остальных обмотках модулирующего трансформатора 7 падает до нуля.

В момент времени ti, когда потенциал начала замыкающей обмотки 18, понижаясь, достигает значения потенциала змитте- ра силового транзистора 1, через переход база-эмиттер силового транзистора 1 начинает протекать запирающий ток по цепи начало обмотки 12 коммутирующего трансформатора 4 - переход база-эмиттер силового транзистора Т - ограничивающий резистор 25 - замыкающая обмотка -18 модулирующего трансформатора 7-замыкающий диод 19 - конец обмотки 12, Переход база-эмиттер силового транзистора 1 запирается и транзистор 1 закрывается; Ток по обмотке 18 продолжает протекать через шунтирующий диод 28.

В момент времени т.2 происходит смена полярности импульсов напряжения, поступающих с выхода задающего генератора 3 на первичную обмотку 10 коммутирующего трансформатора 4. (Новая полярность напряжения указана на фиг.2 в скобках). Смена полярности напряжения приводит к лавинообразному открыванию второго модулирующего транзистора 6. При этом первоначально напряжение на замыкающую обмотку 23 модулирующего трансформатора 6 поступает через пусковой резистор 31. Напряжение на этой обмотке, трансформируясь в .отпирающуюобмотку 22, обусловливает появление тока базы модулирующего транзистора 6 и возникновение лавинообразного процесса его открывания. В то же время замыкающий диод 19 исключает поступление тока в базу силового транзистора 1 через замыкающую обмотку 18 модулирующего трансформатора 7 со стороны дополнительной обмотки 12 коммутирующего трансформатора 4.

Через открытый модулирующий транзистор 6 начинает поступать ток в замыкающую обмотку 23 и базу силового транзистора 2, который открывается,

К замыкающей обмотке 23 прикладывается суммарное напряжение обмоток 13 и

14 коммутирующего трансформатора 4 за вычетом падения напряжения на замыкающем диоде 21. В замыкающей обмотке 23 начинает линейно возрастать ток, что связано с нарастанием тока намагничивания

0 модулирующего трансформатора 7. Соответственно этому происходит нарастание тока коллектора модулирующего транзистора б.

В момент времени т.з амплитуда тока

5 коллектора модулирующего транзистора 6 достигает значения, которое определяется током базы этого транзистора, заданным токоформирующим элементом 24 Vi коэффициентом усиления транзистора. Солро0 тивление перехода эмиттер-коллектор модулирующего транзистора 6 начинает возрастать, что приводит к увеличению падения напряжения на нем и соответственно уменьшению на замыкающей 23 и отпираю5 щей 22 обмотках модулирующего трансформатора 7. Уменьшение напряжения на отпирающей обмотке 22 уменьшает ток базы коммутирующего транзистора 6. Возникает лавинообразный процесс снижения

0 напряжения на обмотках модулирующего трансформатора 7 до нуля.

В момент времени, когда потенциал конца замыкающей обмотки 23, понижаясь, становится равным потенциалу эмиттера

5 силового транзистора 2, через переход база-эмиттер этого транзистора начинает протекать запирающий ток по цепи конец дополнительной обмотки 14 коммутирующего трансформатора 4 - переход база0 эмиттер силового транзистора 2 - ограничивающий резистор 26 - замыкающая обмотка 23 модулирующего трансформатора 7 - замыкающий диод 21 - начало обмотки 14,

5 Переход база-эмиттер силового транзистора 2 запирается, а сам транзистор закрывается. Ток через замыкающую обмотку 23 продолжает протекать через шунтирующий диод 29..

0. ...

В момент времени т,4 происходит смена полярности напряжения на обмотках коммутирующего трансформатора 4. Открывается модулирующий транзистор 5 и далее

5 процессы, описанные выше, циклически по- вторяются..

Переключаясь, силовые транзисторы 1 и 2 генерируют переменное напряжение прямоугольной формы, которое поступает на силовой трансформатор, трансформируется, выпрямляется, сглаживается фильтром и подается на нагрузку.

При увеличении, например, выходного напряжения преобразователя в результате воздействия дестабилизирующих факторов, изменения напряжения питания или сопротивления нагрузки, звено 8 обратной связи уменьшает свое выходное сопротивление, что приводит к увеличению тока через узел 9 согласования - двухполупериодный выпрямитель, нагруженный на это сопротивление, и соответственно тока управляющей обмотки 27 модулирующего трансформатора 7. Увеличение тока управляющей обмотки 27 вызывает увеличение начальных значений токов, замыкающих обмоток 18 и 23 модулирующего трансформатора 7 и токов коллекторов модулирующих транзисторов 5 и 6. Это приводит к уменьшению времени нарастания амплитуд токов коллекторов модулирующих транзисторов до значений, при которых эти транзисторы начинают ограничивать нараставшие коллекторные токи на уровне, заданном токами баз и коэффициентами усиления транзисторов. В результате длительность импульсов, открывающих силовые транзисторы 1 и 2, уменьшается и выходное напряжение преобразователя снижается, возвращаясь к исходному состоянию.

Изменяя величину выходного сопротивления звена 9 обратной связи, например, при помощи входящего в него переменного резистора, можно менять величину тока управляющей обмотки 27 модулирующего трансформатора. 7 (см. фиг.2), осуществляя полное регулирование длительности импульсов, отпирающих силовые транзисторы 1 и 2, от нуля до номинального значения, тем самым изменяя уровень выходного напряжения стабилизатора от нуля до номинального значения.

Введение дополнительных резисторов, включенных последовательно с замыкающими диодами 19 и 21, позволяет одновременно с уменьшением длительности отпирающих силовые транзисторы импульсов уменьшать их амплитуду.

Регулируемый двухтактный преобразователь постоянного напряжения может иметь число транзисторов больше двух, например, в мостовой схеме. В этом случае в коммутирующий и модулирующий трансформаторы должны быть- введены дополнительно основные, дополнительные отпирающие и замыкающие обмотки, а также введены модулирующие транзисторы по числу дополнительно введенных силовых транзисторов. При этом для силовых транзисторов, находящихся в открытом состоянии, одновременно с первым силовым транзистором связи между введенными обмотками и модулирующими транзисторами должны быть выполнены как для первого 5 силового транзистора, а для силовых тран- зисторов, находящихся в открытом состоянии одновременно со вторым силовым транзистором связи между введенными обмотками и модулирующими транзисторами 0 должны быть выполнены как для второго силового транзистора.

В предлагаемом устройстве для осуществления широтно-импульсной модуляции импульсов управления силовыми транзисто- 5 рами использованы элементы непосредственного управления этими транзисторами: коммутирующие трансформатор и транзисторы, что позволяет исключить из структуры преобразователя отдельный ШИМ с

0 двухполярным выходом. Тем самым достигаются упрощение структуры преобразователя по сравнению с прототипом и связанное с этим повышение надежности устройства,

5 Формула изобретения

Регулируемый двухтактный преобразователь постоянного напряжения, содержащий по крайней мере два транзистора, первый и второй силовые транзисторы, за0 дающий генератор, коммутирующий трансформатор с первичной обмоткой, подключенной к выходу задающего генератора, и вторичными, первыми основной и дополнительной и вторыми основной и дополки5 тельной обмотками, модулирующий трансформатор, первый модулирующий транзистор, эмиттер которого подключен к концу первой отпирающей обмотки модулирующего трансформатора, а коллектор - к

0 началу первой основной обмотки коммутирующего трансформатора, конец которой соединен с эмиттером первого силового транзистора, второй модулирующий транзистор, эмиттер которого подключен

5 к началу второй отпирающей обмотки модулирующего трансформатора, а коллектор - к концу второй основной обмотки коммутирующего трансформатора, начало которой соединено с эмиттером второго силового

0 транзистора, звено обратной связи, подключенное входомж выходу преобразователя, а выходом через узел согласования - к управляющей обмотке модулирующего трансформатора, отличающийся тем,

5 что, с целью повышения надежности путем упрощения структуры преобразователя, в модулирующий трансформатор введены замыкающие обмотки, первая из которых соединена началом с эмиттером первого модулирующего транзистора и через первый ограничивающий резистор с базой первого силовйпо транзиет0р.а, а концом через первый замокающий диод, включенный встречно последовательно с переходам база-эмиттер первого силового транзистора, соединена с концом первой дополнительной обмотки коммутирующего трансформатора, начало которой соединено с концом первой основной обмотки того же трансформатора, вторая замыкающая обмотка соединена концом с эмиттером второго модулирующего транзистора и через второй то- коограничивающий резисторе базой второго силового транзистора, а началом через второй замыкающий диод, включенный встречно последовательно с переходом база-эмиттер второго силового транзистора, соединена с началом второй дополнительной обмотки коммутирующего трансформатора, конец которой соединен с началом

0

5

0

второй основной обмотки того же трансформатора, при этом начало первой отпирающей обмотки модулирующего трансформатора через первый токоформи- рующий элемент подключено к базе первого модулирующего транзистора, конец второй отпирающей обмотки модулирующего трансформатора через второй токо- формирующий элемент подключен к базе второго модулирующего транзистора, параллельно переходу эмиттер-коллектор каждого из модулирующих транзисторов включена пусковая цепочка, встречно параллельно переходу база-эмиттер каждого из силовых транзисторов включен шунтирующий диод, узел согласования выполнен в виде двухполупериодного выпрямителя, подключенного входом к управляющей обмотке модулирующего трансформатора, а выходом - к выходу звена обратной связи.

Использование: системы вторичного электропитания. Цель изобретения - повышение надежности за счет упрощения структуры. Сущность изобретения: устройство содержит силовые транзисторы (1 и 2), задающий генератор (10), коммутирующий

ш

I

Ш

/W

м

ЗК2

x

L.i

,ь

t3t« Л Ф.аг.-2

м Ј

V.

V

j«i

S

/L. - -4 -- -.

:4

4 4« -

Фиг. J

$