Регулируемый преобразователь напряжения Советский патент 1980 года по МПК H02M3/335 

1

Изобретение относится к электротехнике, а именно к стабилизированным нреобразователям напряжения, и может найти применение в автоматике и вычислительной технике в блоках питания радиоэлектроп- 5 ной аипаратуры.

Известны устройства, содержащие ключевой элемент, задающий генератор, силовой трансформатор, схему управления и трансформатор гальванической развязки в ю цепн обратной связи (I, 2.

К недостаткам указанных устройств относится возможность появления перенапряжений на выходе при коммутации нагрузки, а также при включении питания. Это is обстоятельство обусловлено наличием в цепи обратной связи устройств развязывающего трансформатора, выходное напряжение которого исчезает как при сквал ности импульсов на выходе схемы управле- 90 ния равной нулю, так и равной единице. Это нарушает рюрмальную работу схемы управления и приводит к снижению надежности этих устройств.

Наиболее близким по технической сущ- 25 ности к предлагаемому является регулируемый транзисторный преобразователь, управляемый тактовым генератором 3. Этот регулируемый транзисторный преобразователь постоянного напряжения, уп- 30

равляемыи тактовым генератором, имеет гальванически развязанные вход и выход. Меладу входным и выходным контурами находится силовой трансформатор, а с выходной цепью гальванически связана регулирующая схема, предназначенная для управления коэффициентом заполнения имнульсов в пусковой полукольцсвой схеме. Последняя воздействует на один плн несколько расположенных во входном контуре исполнительных транзисторов в зависимости от результата сравнения треугольного и постоянного напряжений в дифференциальном усилителе. Формируемые в результате сравнения имиульсы напряжения через трансформатор воздействуют на тактовый генератор, изменяя скважность его выходных сигналов. НелТостатком указанного устройства является наличие длительных перенапряжений на выходе преобразователя при коммутации нагрузки, а также при включен П1 питания, что нарушает его устойчивую работу и снижает иадел ность.

Указанный недостаток обусловлен следующим. В установившемся режиме работы на вход трансформатора гальванической развязки поступает сигнал с выхода порогового устройства, скважность которого определяется .мол:ентамн равенства опорного напряжения и суммы выходного и пилообразного напряжения, формируемого генератором пилообразного напряжения. Напряжение, снимаемое с выходной обмотки трансформатора гальванической развязки, воздействует через исполнительный транзистор на тактовый генератор, определяя тем самым время открытого и закрытого состояния ключевого элемента.

При резкой коммутации тока нагрузки, например, при сбросе, энергия, накопленная в накопительном дросселе, передается в нагрузку, вызывая выброс выходного напряжения. Если амплитуда этого выброса превышает амплитуду пилообразного напряжения, на выходе порогового устройства возникает перепад напряжений большой длительности, равной длительности переходного процесса. Если постоянная времени трансформатора гальванической развязки меньше времени переходного нроцесса на выходе преобразователя, что обычно вынолняется на практике в целях снижения габаритов и массы трансформатора гальванической развязки, его сердечник насыш,ается, импульсы на его выходной обмотке исчезают, что приводит к работе ключевого элемента с максимальным коэффициентом заполнения, определяемым тактовым генератором. В результате напряжение на выходе преобразователя возрастает до значения, определяемого коэффициентом трансформации силового трансформатора и значением напряжения питания и сохраняется таким неопределенно долгое время.

При включении питания, если скорость нарастания выходного напряжения превышает скорость нарастания напряжения онорного источника порогового устройства, также возмол но исчезновение импульсов на выходе развязываюш.его трансформатора, что приводит к неустойчивой и ненадежной работе устройства.

Целью изобретения является повышение устойчивости работы преобразователя и уменьшение габаритов и массы развязывающего трансформатора.

Поставленная цель достигается тем, что в регулируемом преобразователе напряжения с гальванической развязкой входа и выхода, содержанием ключевой элемент, вход которого соединен с выходом тактового генератора, силовой трансформатор, первичная обмотка которого включена последовательно с ключевым элементом в цень нервнчного источника питания, а ко вторичной обмотке подключен выпрямитель с фильтром, нороговый узел, вход которого соединен с выходом преобразователя и формирователем пилообразного напряжения, а выход подключен к нервичной обмотке развязываюш;его трансформатора, вторичная обмотка которого соединена с управляюш им входом тактового генератора, силовой трансформатор снабжен дополнительной обмоткой, один вывод которой соединен с выходом преобразователя, а второй вывод через дополнительный диод подключен к первому выводу первичной обмотки развязывающего трансформатора, второй вывод которой соединен через выход порогового узла с первым выводом дополнительной обмотки трансформатора. Это позволяет при появлении перенапряжения на выходе преобразователя обеснечить переключепие развязывающего трансформатора с частотой тактового генератора даже при постоянном сигнале на выходе порогового устройства.

В результате этого коэффициент заполнения импульсов ключевого элемента уменьшается практически до нуля, нриводя к мгновенной отработке возмущения и снижению выходного напряжения до номинального значения. Это существенно повышает устойчивость работы преобразователя, улучшает его надежность и быстродействие.

Кроме того, длительность импульсов, передаваемых развязывающим трансформатором в предлагаемом устройстве примерно в 10 раз, меньше, чем в известном устройстве, что позволяет существенно уменьшить габариты и массу развязывающего

трансформатора.

На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства.

Регулируемый нреобразователь напряжения содержит ключевой элемент 1, вход

которого соединен с выходом тактового геiiepaTOpa 2, силовой трансформатор 3, первичная обмотка 4 которого включена последовательно с ключевым элементом 1 в цепь первичного источника питапия, а ко

вторичной обмотке 5 подключен выпрямитель 6 с фильтром 7, иороговый узел 8, вход которого соединен с выходом иреобразователя и фор.мирователем 9 пилообразного напряжения, а выход подключен к

первичной обмотке 10 развязывающего трансформатора 11, вторичная обмотка 12 которого соединена с управляющим входом тактового генератора 2. Силовой трансформатор 3 снабжен дополнительной обмоткой

13, один вывод которой соединен с выходом преобразователя, а второй вывод через дополнительный диод 14 подключен к первому выводу первнчной обмотки 10 развязывающего трансформатора 11, второй вывод которой соедииен с выходом порогового узла 8.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

В установившемся режиме работы напряжение на выходе тактового генератора 2 открывает ключевой элемент 1 и на первичной обмотке 4 силового трансформатора 3 формируется напряжение. Это напряжение трансформируется во вторичную обмотку 5 и через выпрямитель 6 и фильтр 7

передается на выход преобразователя. На входе порогового узла 8 происходит суммирование выходного напряжения преобразователя и пилообразного напряжения, формируемого формирователем 9 пилообразного напряжения. Сумма этих напряжений сравнивается с опорным напряжением порогового узла 8.

В течение времени, когда

вых + ,

где f/вых - выходное напряжение преобразователя;

/JV - амплитуда напряжения на выходе формирователя 9; Uon - напряжение опорного источника порогового узла 8,

на входе выходного транзистора порогового устройства 8 отсутствует напряжение, и он закрыт. При достижении пилообразным напряжением зиачения, при котором

Bb.x + ,

КО входу выходного транзистора порогового узла 8 прикладывается отпирающее напряжение, которое открывает указанный транзистор. Поскольку выходной каскад порогового узла 8 запитан от дополнительной обмотки 13 силового трансформатора 3 через доиолнительный диод 14, напряжение на которой синфазно с напрял ением на первичной обмотке 4 силового трансформатора 3, к первичной обмотке 10 развязывающего трансформатора 11 прикладывается напряжение, которое трансформируется в его вторичную обмотку 12 и прикладывается к управляющему входу тактового генератора 2. В результате напряжение на входе ключевого элемента 1 исчезает и последний закрывается через время, определяемое временем рассасывания неосновных носителей. При этом на первичной обмотке 19 развязывающего трансформатора 11 формируется импульс, длительиость которого определяется только временем выключения ключевого элемента. При резкой коммутации нагрузки, например при сбросе, энергия, накопленная в накопительном элементе фильтра 7, передается в нагрузку, вызывая резкое увеличение выходного напряжения. Если амплитуда этого переходного процесса превыщает размах пилообразного напряжения, т. е.

,,

на входе выходиого транзистора порогового узла 8 возникает длительный перепад напряжения, открывающий указанный транзистор. В момент формирования на выходе тактового генератора 2 следующего отпирающего импульса, ключевой элемент 1 открывается и на дополнительной обмотке 13 силового трансформатора 3 формируется напряжение, которое прикладывается к первичной обмотке 10 развязывающего трансформатора 11, трансформируется в его вторичную обмотку 12 и подается на управляющий вход тактового генератора 2, выключая последний. В результате на входе ключевого элемента 1 формируется отпирающий импульс, длите.чьность которого определяется только быстродействием схемы управления. При этом ключевой элемент 1 оказывается открытым в течение времени, определяемого суммарной задерлчкой схемы управления и ключевого элемента, что приводит к резкому уменьшению коэффициента заполнения импульсов ключевого элемента 1 и снижению выходного напряжения до номинального значения.

При включении преобразователя, если скорость нарастания выходного напряжения превьилает скорость нарастания напряжения опорного источника, процессы, происходящие в преобразователе, аналогичны описанным выще.

Таким образом, предложенное устройство позволяет обеспечить переключение развязывающего трансформатора при постоянном сигнале на выходе порогового устройства. При этом коэффициент заполнения импульсов ключевого элемента уменьщается практически до нуля, приводя к мгновенной отработке возмущения. Это позволяет практически полностью исключить перенапряжения на выходе преобразователя и тем самым повысить устойчивость его

работы, надел ность и быстродействие.

Кроме того, предложенное устройство позволяет примерно в 10 раз уменьщить габариты II массу развязывающего трансформатора. Это обстоятельство обусловлено

тем, что длительность импзльсов, передаваемых развязывающим трансформатором, равиа длитev ьнocти задержки на выключение ключевого элемента, определяемой временем рассасывания неосновных носителей, значение которого равно 0,1 - 1 мкс. для современных мощных транзисторов. В известном же устройстве максимальная длительность импульсов, передаваемых развязывающим траисформатором, составлять половину периода колебаний тактового генератора, что при частоте 50 кГц составляет 10 мкс. Уменьщение длительности импульса в 10 раз, по сравнению с известным устройством позволяет во столько раз уменьщить сечение сердечника развязывающего трансформатора, а следовательно, и его массу и габариты.

Указанные обстоятельства выгодно отличают предлагаемое устройство от известного.

Формула изобретения

Регулируемый преобразователь напряжения, содержащий однотактный инвертор с выходным трансформатором, вторичная

обмотка которого подключена через выпрямитель с фильтром к выходным выводам, а ключевой элемент инвертора входом соединен с выходом тактового генератора, пороговый узел, входом связанный с выходными выводами преобразователя и формирователем пилообразного напряжения, а выходом - с первичной обмоткой развязывающего трансформатора, вторичная обмотка которого соединена с управляющим входом тактового генератора, отличающийся тем, что, с целью повышения устойчивости работы преобразователя, силовой трансформатор снабжен дополнительной обмоткой, один вывод которой соединен с одним из выходных выводов преобразователя, а второй вывод через дополнительный диод подключен к первому выводу первичной обмотки развязывающего трансформатора, второй вывод которой соединен через выход порогового узла с первым выводом дополнительной обмотки трансформатора.

Источники информации, принятые во внимание ири экспертизе

1. Патент США № 3818306, кл. 321-2, 1974.

2.Авторское свидетельство СССР № 433607, Н 02М 3/335, 1974.

3.Заявка ФРГ № 2226689, кл. Н 02Р 13/22, 1974.