Стабилизированный конвертор Советский патент 1979 года по МПК H02M3/335 

(54) СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ КОНВЕРТОР

I

Изобретение относится к промышленной радиоэлектронике и может найти применение в источниках электропитания средств вычислительной техники и радиоэлектронной аппаратуры.

Известные конверторы, содержащие трансформатор тока, поддерживающий в насыщении силовой транзистор, имеют существенные потери в цепи управления, что снижает их КПД 1, 2.

Наиболее близким по технической сущности является стабилизированный конвертор, содержащий двухтактный усилитель мощности на транзисторах с индивидуальными трансформаторами тока в цепи положительной обратной связи, входом соедиНенный с выводами для подключения питающего источника, а выходом с первичной обмоткой выходного трансформатора, вторичная обмотка которого через выпрямитель с фильтром соединена с выводами для подключения нагрузки к которым подсоединен вход узла управления, а выходы последнего соединены с базами управляющих транзисторов, у которых коллектор через резистор подключен к соответствующему концу обмотки управления соответствующего трансформатора, тока, а эмиттеры объединены и соединены с одним из выводов вспомогательного источника питания, другой вывод которого связан с другим концом каждой из обмоток управления 3.

В известном конверторе решен вопрос улучшения регулировочных характеристик без существенного увеличения потерь в цепях управления, уменьшены динамические потери в силовых транзисторах усилителя мощности за счет работы управляющих транзисторов в режиме параметрического стабилизатора тока.

Однако известному конвертору присущи некоторые недостатки, к которым следуетотнести:

а) некоторое увеличение общих потерь в цепях управления и возрастание мощности рассеяния на управляющем транзисторе, поскольку ток стабилизации параметрического стабилизатора выбирается равным максимальному намагничивающему току в обмотке.управления трансформатора тока, соответствующему границе линейной области петли намагничивания сердечника, и при окончании процесса обратного перемагничивания за время меньще половины периода, В течение остального времени до конца полупериода, включая время паузы, в цепи обмотки управления течет максимальный ток; в результате чего общие потери в цепи увеличиваются и значительная часть их приходится на транзистор параметрического стабилизатора, работающего в линейном режиме значительную часть периода; б) необходимость увеличения н апряжения дополнительного источника питания для обеспечения обратного перемагничивания сердечника трансформатора тока с учетом дополнительного падения напряжения на токозадающем резисторе стабилизатора тока, что также вызывает возрастание потерь управления. Цель изобретения - повышение КПД конвертора путем уменьшения потерь в цепях управления. Указанная цель достигается тем, что в стабилизированный конвертор, содержащий двухтактный усилитель мощности на транзисторах с индивидуальными трансформаторами тока в цепи положительной обратной связи, входом соединенного с выводами-для подключения питающего источника, а выходом - с первичной обмоткой выходного трансформатора, вторичная обмотка которого через выпрямитель с фильтром соединена с выводами для подключения нагрузки, к которым подсоединен, вход узла управления, выходы последнего соединены с базами уп-. равляющих транзисторов, у которых коллектор через резистор подключен к соответствующему концу обмотки управления соответствующего трансформатора тока, а эмиттеры объединены и соединены с одним из выводов вспомогательного источника питания, другой вывод которого связан с другим концом каждой ИЗ обмоток управления, снабжен конденсаторами и элементами запуска, причем упомянутый другой конец обмотки управления каждого трансформатора тока соединен с объединенными эмиттерами управляющих транзисторов через конденсатор и с другим выводом вспомогательного источника через элемент запуска. При этом в качестве элемента запуска может быть использован либо стабилитрон, либо диод, анодом подключенный к выводу вспомогательного источника, либо резистор, либо управляемый ключ. На фиг. I .приведена принципиальная электрическая схема стабилизированного конвертора; на фиг. 2 показаны эпюры токов и напряжений, иллюстрирующие его работу, на фиг. 3 приведены кривые намагничивания сердечников трансформаторов тока. Стабилизированный конвертор содержит двухтактный усилитель мощности 1. включающий в себя силовые транзисторы 2, 3 С индивидуальными трансформаторами тока 4, 5, с обмотками управления соответственно 6, 7; выходной трансформатор 8; выпрямитель 9; сглаживающий фильтр Ш; узел управления II, включающий в себя задающий генератор 12, источник опорного напряжения 13, щиротно-импульсный модулятор 14, триггер 15, формирователь управляющих импульсов 16, схемы совпадения 17, 16; управляющие транзисторы 19, 20; токоограничительные резисторы 21, 22; конденсаторы 23, 24; элементы запуска 25, 26; вспомогательный источник питания 27. Стабилизированный конвертор работает следующим образом. Задающий генератор 12 генерирует короткие треугольные импульсы, управляющие по счетному входу триггером 15, работающим в режиме делителя частоты, и пилообразное напряжение, поступающее на один из входов щиротно-импульсного модулятора (ШИМ) 14. На другие входы ШИМ поступает выходное напряжение конвертора и опорное напряжение от источника 13. В результате сравнения суммы пилообразного и выходного напряжения с опорным напряжением с выхода ШИМ на вход фор.мирователя управляющих импульсов 16 поступают трапецеидальные импульсы. В формирователе 16 из трапецеидальных импульсов формируются прямоугольные импульсы, поступающие затем на объединенные входы схе.м совпадения 17, 18, на другие входы которых с выхода триггера 15 подаются сдвинутые друг относительно друга на 180° последовательности импульсов. С выходов схем совпадения 17, 18 на базы управляющих транзисторов соответственно 20, 19 поступают сдвинутые на 180° друг относительно друга последовательности щиротно-модулированных импульсов. Транзисторы 19, 20 переключаются и через обмотки управления 6, 7 трансформаторов тока 4, 5 управляют работой силовых транзисторов 2, 3 усилителя мощности 1 таким образом, что выходное напряжение конвертора поддерживается на заданном уровне независимо от внешних дестабилизирующих воздействий. Рассмотрим установившийся режим работы конвертора, когда транзисторы 19 и 3 закрыты, транзистор 20 открыт и рабочий импульс тока проходит через силовой транзистор 2 усилителя мощности 1. При этом напряжение на .конденсаторе 23 равно (фиг. 2, г), на переходе база-эмиттер транзистора 20 действует напряжение U (фиг. 2, б), а в базу через обмотку 28 трансформатора тока 4 поступает ток (фиг. 2 в). В мо.мент i-t (управляющий транзистор 21 открывается и через обмотку управления 6 трансформатора тока 4 проходит импульс тока (фиг. 2 а), амплитуда которого определяется напряжением UQ на конденсаторе 23 и сопротивлением резистора 21. В базу транзистора 2 поступает обратный импульс тока i (у(фиг. 2б). В результате резко ускоряется процесс рассасывания неосновных носителей в базе транзистора 2, заканчивающийся в момент tj. после чего изменяется полярность напряжения на обмотках трансформатора и к базе транзистора 2 прикладывается обратное напряжение LUn За время рассасывания конденсатор 23 разряжается до напряжения Ucj- В момент t начинается процесс обратного перемагничивания сердечника трансформатора тока 4. На интервале tz - Ь транзистор 21 работает в инверсном режиме и намагничивающий ток обмотки 6 трансформатора 4 подзаряжает конденсатор 23 до напряжения U В момент 1з намагничивающий ток изменяет свое направление и на ингервале tj - t. происходит разряд конденсатора 23 до напряжения Uc3- В момент t транзистор 19 запирается, в базу транзистора 2 поступает ток и через транзистор 2 проходит очередной рабочий Импульс тока. Если в течение рабочего импульса перемагничивание сердечника трансформатора тока 4 происходит на участке а-б-д петли гистерезиса (фиг. 3, а), то обратное перемагничивание идет н-а участке д-е-а, что соответствует линии «К на фиг. 2, а. Если прямое перемагничивание происходит на участке а-б-в, а обратное - на участке в-г-а, что имеет место при низком напряжении база-эмиттер транзистора 2 или малом токе нагрузки, то ток. в обмотке управления 10 соответствует линии «т на фиг. 2, а, т. е. подпитка конденсатора 23 происходит меньщим током и напряжение на нем устанавливается более низким, достаточным для обратного перемагничивания сердечника. Если же прямое перемагничивание идет на участке а-б-ж, а обратное - на участке ж-з-а, что соответствует линии «п на фиг. 2, а, что имеет место при высоком напряжении база-эмиттер транзистора 2 и максимальном токе нагрузки, то в каждом цикле на подзаряд конденсатора поступает больще энергии и напряжение на нем устанавливается более высоким, достаточным для обратного перемагничивания сердечника трансформатора тока. Рассмотрим переходный процесс установления напряжения на конденсаторах 23, 24 при включении. При включении стабилизированного конвертора имеет место задержка, обеспечивающая начало работы узла управления 1I после того, как напряжение вспомогательного источника 27, питающего цепи управляющих транзисторов и узла управления, достигает номинального значения. При этом в обмОтки управления 6, 7 трансформаторов тока 4, 5 от вспомогательного источника 27 через элемент запуска протекает намагничивающии ток lyi, который при запирании управляющих транзисторов 19, 20 трансформируется в базовые обмотки 28, 29 транзисторов 2, 3 обеспечивая начало их лавинообразного включения. Данный ток соответствует точке «а на петле намагничивания трансформатора тока (фиг. 36). Напряжение на конденсаторах 23, 24 в основном определяется падением напряжения на резисторах 21, 22 создаваемом током tji, и может быть небольшим. При запирании управляющих транзисторов 19, 20 включаются силовые транзисторы 2, 3 и пропускают рабочий импульс тока длительностью, равный половине периода. При этом сердечник трансформатора тока п1:ремагничивается на участке петли а-н-б (фиг. 3,6). Однако величина напряжения на конденсаторах 23, 24 недостаточна для обратного перемагничивания сер дечника с возвратом к рабочей точке «а и обратное перемагничивание сердечника за следующие пол периода произойдет на участке а-в, а напряжение на конденсаторах 23, 24 получит приращение за счет тока намагничивания сердечника. В течение следующего цикла длительность рабочего импульса тока будет меньще длительности полупериода, поскольку сердечник, перемагничиваясь попадает в точкуР, (фиг. 36) и происходит лавинообразный процесс выключения силового транзистора. В течение вре.мени обратного перемагничивания напряжение на конденсаторах 23, 24 получает новое приращение. Таким образом за несколько циклов напряжение на конденсаторе достигает величины, достаточной для обратного перемагничивания сердечника, рабочий участок петли смещается вниз и в конечном итоге устанавливается рабочий цикл а-б-д-е (фиг. 3, а), соответствующий установивщемуся режиму работы конвертора. Напряжение на конденсаторах 23, 24 становится таким, что выполняется неравенство где UCT- напряжение стабилизации стабилитрона элементов запуска 25, 26, UB - напряжение вспомогательного источника 27, Uc - напряжение на конденсаторах 23, 24, т.е. в. установившемся режиме элемент запуска отключает управляющие обмотки 6, 7 трансформатора тока от источника 16. Формула изобретения 1. Стабилизированный конвертор, содержащий двухтактный усилитель мощности на транзисторах с индивидуальны.ми трансформаторами тока в цепи положительной обратной связи, входом соединенного с выводами для подключения питающего источника, а выходом - с первичной обмоткой выходного трансформатора, вторичная обмотка которого через выпрямитель с фильтром соединена с выводами для подключения нагрузки, к которым подсоединен вход узла управления, выходы последнего соединены с базами