Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения Советский патент 1980 года по МПК H02M3/335 G05F1/64 

;54) СТАБИЛИЗИРОВАННЫП ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

1

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано во вторичных источниках электропитания. Особенно целесообразно применение его в тех случаях, когда от источника требуются высокие качественные показатели по выходному постоянному напряжению, имеющему или очень малую, или очень большую величину по сравнению с напрял ением питания.

Известен стабилизированный преобразователь постоянного напряжения, содержащий импульсний регулятор напряжения, LC фильтр, дроссель которого имеет основную и дополнительную обмотки, намотанные бйфилярно. Одноименные выводы обеих обмоток соединены вместе и подключены к выходу преобразователя. Блок управления соединен с выходом через.дополнительную обмотку дросселя. Использование дополнительной обмотки дросселя в цепи обратной связи позволяет достичь устойчивой работы преобразователя при параметрах фильтра, обеспечиваюцих высокие качественные показатели устройства в целом i.

Недостатком этого преобразователя напряхсения, ограничивагацим его об- .

ласть применения, является наличие гальванической связи по силовой цепи между входом и выходом и невысокие массо-габаритные показатели.

Известен также стабилизированный преобразователь постоянного напряжения, содержащий входной фильтр, ключевые блоки импульсного регулятора и

10 инвертора с трансформатором, выходной выпрямитель, LC фильтры на выходе импульсного регулятора и указанного выпрямителя, блок управления, включенный ключевым блоком им15пульсного регулятора и выходом преобразователя. В этом преобразователе гальваническая развязка по силовой цепи обеспечивается трансформатором инвертора 2.

20

Однако известный преобразователь постоянного напряжения содержит два последовательно включенных LC фильтра, поэтому он имеет низкую устойчивость. Часто для получения устойчи25вой работы используется подача на блок управления напряжения обратной связи с выхода фильтра импульсного регулятора. Но при таком регулировании снижается точность стабилизации..

30 Наиболее близок к предлагаемому стабилизированный преобразователь постоянного напряжения, содержгиций цепочку устойчивости, включающую в себя дополнительную обмотку дросселя сглаживающего фильтра выходного выпрямителя, намотанную бифилярно с основной и подключенную к ней через конденсатор и резистор, соединяющий вход блока управления с выходом преобразователя. При этом из контура регулирования по переменной составляющей исключается один сглаживакяций фил.ьтр и для определенных параметров фильтра импульсного регулятора и тока нагрузки удается достичь уо.тойчи-г вой работы преобразователя J3. Однако наличие у трансформатора инвертора паразитных параметров, особенно, индуктивности рассеяния между первичной и выходной обмотками достигающей наибольшего значения при очень малых и очень больших коэффициентах трансформации, приводит к дополнительному фазовому сдвигу и затрудняет коррекцию. Поэтому преобразо ватель остается критичным к изменению тока нагрузки и выбору параметров сгл живающих фильтров и склонен с самовоз буждению. Цель изобретения - повышение устой чивой работы преобразователя незави симо от параметров сгла хивающих фильт ров и трансформатора инвертора. Указанная цель достигается тем, что в стабилизированном преобразователе постоянного напряжения, содержащем ключевые блоки регулятора с LC фильтром и инвертора с выходным транс форматором, силовой выпрямитель ходным LC фильтром, дроссель которог имеет дополнительную обмотку, магнит но связанную с основной, блок управления, включенный меясду ключевым бло ком импульсного регулятора и выходом преобразователя и связанный по входу с выходом преобразователя с помощью цепочки устойчивости, содержащей ука занную дополнительную обмотку, разде лительный конденсатор и резистор, трансформатор инвертора, снабжен дополнительными обмотками, одна из которых . магнитно связана с первичной, а другая - со вторичной. Выводы этих обмоток подсоединены ко входам введенных выпрямителей, нагруженных на балластные резисторы, причем выходы выпрямителей включены последовательно и встречно и через разделительный конденсатор, соединены с выводами резистора цепочки для повьаиения устойчивости. Первый вывод дополнительного резистора подключен ко второму выводу дополнительной обмотки дросселя выходного фильтра, а второй - через дополнительную обмотку дросселя фильтра регулятора, магнитно связанную с основной, ко входу блока управления. Предлагаемое подключение блока управления к выходу преобразователя позволяет осуществить регулирование по постоянной составляющей - непосредственно по выходному напряжению, а по переменной - по напряжению со входа фильтра регулятора. Благодаря исключению из контура регулирования по переменной составляющей колебательных звеньев двух сглаживающих фильтров и паразитных параметров трансформатора, преобразователь остается устойчив при изменениях тока Нагрузки и параметров фильтров в широких пределах. На фиг. 1 изображена упрощенная схема преобразователя постоянного напряжения; на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений. Напряжение от источника 1 питания подается на ключевой блок 2 импульсного регулятора. Сглаживающий фильтр импульсного регулятора содержит дроссель 3 с основной 4 и дополнительной 5 обмотками и конденсатор 6. К выходу этого фильтра подключен блок 7 инвертора с выходным трансформатором 8. Первичная обмотка 9 трансформатора магнитно связана с дополнительной 10, а вторичная 11 с дополнительной 12. Трансформатор соединен с силовым выпрямителем 13, выход которого подключен к LC сглаживающему фильтру. Дроссель 14 этого фильтра имеет основную обмотку 15 и магнитно связанную с ней дополнительную обмотку 16, а конденсатор 17 подключен к выходным выводам 18 и 19 преобразователя. Дополнительные обмотки 10 и 12 трансформатора 3 подключены к выпрямите-:ям соответственно на диодах 20-23 и 24-27, нагруженным на балластные резисторы 28 и 29/ Последовательно и встречно включенные выходы выпрямителей через разделительный конденсатор 30 соединены с резистором 31. Выход блока 32 управлени) соединен с ключевым блоком импульсного регулятора 2 и управляет работой его транзисторов. Вход блока управления через обмотку 5, резистор 31 и обмотку 16 подключен к выходному выводу 18 преобразователя. Принцип работы преобразователя постоянного напряжения иллюстрируется временными диаграммами, приведенными на фиг. 2. После подюпочения преобразователя постоянного напряжения к источнику 1 питания транзисторы ключевого блока 2 импульсного регулятора работают с частотой и скважностью, задаваемыми блоком 32 управления. Импульсы напряжения с его выхода U.j (фиг. 2) поступают на вход сглг1живаюгцего фильтра на дросселе 3 и конденсаторе 6. Сглаженное и отфильтрованное напряжение, равное средней величине 1) , превращается инвертором 7 в переменное прямоугольное напряжение U которое и подается на первичную обмотку 9 трансформатора 8.

Обычно работа импульсного регулятора и инвертора синхронизированы. На фиг. 2 рабочие частоты инвертора и импульсного регулятора выбраны равными, но соотношение между ними может быть любым, так как это принципиального значения не имеет.

Форма напряжения на выходной обмотке трансформатора 8 зависит от соотношения его паразитгных параметров. Если коэффициент затухания больше единицы, то она имеет экспоненциальный характер. На фиг. 2 в качестве примера выбран именно такой случай, причем напряжение Us на выходной обмотке аппроксимированно прямым. Получающееся после выпрямления напряжение U подается на сглаживающий фильтр, который отфильтровывает переменную составляющую так, что на выходе преобразователя получается постоянное напряжение Ugj,,,.

Для повышения устойчивости в известном преобразователе используется дополнительная обмотка 16 дросселя 14, намотанная бифилярно с основной и включенная с ней встречно. Поэтому напряжение Ue- с выхода обмотки 16 повторяет форму напряжения . на входе выходного фильтра и отличается от него на величину падения напряжения на активном сопротивлении основной обмотки 15. Из сопоставления диаграмм напряжения U и напряжения UjL на первичной обмотке трансформатора видно, что и отстает по фазе от U2- Этот фазовый сдвиг, обусловленный индуктивностью рассеяния между первичной -и выходной обмотками, может быть причиной неустойчивой работы преобразователя. Для его устранения в предлагаемом преобразователе используются две дополнительные обмотки трансформатора и два выпрямителя с несколькими вспомогательными элементами.

Дополнительная обмотка 10 трансформатора 8 магнитно связана с первичной 9 путем их бифилярной намотки, поэтому напряжение на ней совпадает по форме с напряжением УЗ на первичной обмотке. Форма напряжения Uj на выходе выпрямителя, подключенного к дополнительной обмотке 10, показана на фиг. 2.

До этой же причине напряжение на обмотке 12 по форме совпадает с напряжением и, а на выходе выпрямителя, соединенного с ней, действует напряжение U-j. Суммарное напряжение Ug на двух встречно включенных выпрямителях представляет собой однополярные импульсы, возникающие в моменты провала напряжения на входе выходного фильтра. Эти импульсы можно рассматривать как выпрямленное напряжение на индуктивности рассеяния трансформатора .

После отделения с помощью разделительного конденсатора 30 постоянной составляющей напряжения Ug на дополнительном резисторе 31 действует напряжение Uq, которое, складываясь с напряжением U, создает напряжение t совпадающее по фазе с выходным напряжением инвертора. Таким образом, устраняется фазовый сдвиг, обусловO ленный паразитными параметрами трансформатора и выходным фильтром.

Для исключения фазового сдвига, вносимого фильтром импульсного регулятора, используется дополнительная

15 обмотка 5 дросселя 3. Напряжение на ней и повторяет напряжение на основной обмотке 4 с точностью до величины падения напряжения на омическом сопротивлении обмотки 4. В результаQ те на входе блока 32 управления действует напряжение обратной связи U, равное сумме напряжений и и , которое, как это видно из временных диаграмм, находится в фазе с напряжением и, поступающим с блока 2.

Исключение практически полностью сдвига фаз, обусловленного инерционностью всех звеньев преобразователя, нарушает условие возникновения автоколебаний и схема в опасной зоне частот приобретает устойчивость. При этом блок управления по постоянной составляющей осуществляет регулирование непосредственно по выходному напряжению преобразователя.

5 Часто первичная обмотка 9 трансформатора 8 подключается к выходу инвертора 7 через разделительный конденсатор, исключающий подмагничивание сердечника. Такое соединение имед ет место и в схемах полумостовых инверторов. Может оказаться, что фазовый сдвиг, вносимый разделительным конденсатором, значительно больше фазового сдвига, вносимого паразитными параметрами трансформатора. Схема

5 преобразователя может быть упрощена за счет исключения дополнительной обмотки 12, резистора 29 и выпрямителя на диодах 24-27.

Такое упрощение схемы целесообразно и в том случае, когда емкость конденсатора 6 сглаживающего фильтра импульсного регулятора достаточно велика и переменная составляющая напряжения на нем, а также на выходе вы5 пpя 1итeля на диодах 20-23 отсутствует. ; В большинстве случаев трансформатор 8 инвертора имеет коэффициент трансформации п W /W отличный от единицы. При таком условии числа вит.. ков дополнительных обмоток электромагнитных элементов целесообразно выбирать следующим образом:

W-t6 W W,f W4 Если напряжение обратной связи, с далью уменьшения его величины, сиима S

ется с делителя выходного напряжения то число витков всех дополнительных обмоток должно быть уменьшено во / столько же раа.

Отрицательная полуволна напряжения обратной связи U которая появляется иэ-за падения напряжения на активных сопротивлениях электромагнитных элементов, индуктивности рассеяния трансформатбра, транзисторах и диодах преобразователя, может явиться препятствием для использования широтно-импульсной модуляции на осцове частотно-фазового принципа, реализуемого двумя генераторами. Сдвиг фаз между ними регулируется в зависимости от уровня выходного напряжения путем управления с помощью напряжения обратной связи частотой ведомого генератора при стабильной частоте опорного генератора. Полностью устранить отрицательную полуволну, не изменяя среднего значения напряжения обратной связи, можно уменьшением числа витков дополнительной обмотки 5 дросселя 3.

Дополнительные обмотки дросселей и трансформатора не являются силовыми и могут быть намотаны тонким проводом, поэтому они практически не изменяют их массо-габаритных показателей. Наилучшие результаты достигаются при бифилярной намотке дополнительной с соответствующей силовой обмоткой. Однако технология намотки может быть упрощена. Так, при намотке дополнительных обмоток трансформа тора одну из них можно намотать непосредственно, на сердечник, а вторую поверх всех остальных.

Структурная схема предлагаемого преобразователя имеет шестой порядок если считать трансформатор звеном второго порядка. nosToiviy добиться устойчивой работы преобразователя известными средствами, при условии регулирования непосредственно по выходному напряжению, весьма затруднительно и связано с проведением трудоемких расчетов корректирующих звеньев и последующей их сложной отладкой.

Предлагае№лй преобразователь лише этих недостатков, поскольку порядок системы понижается посредством дополнительных обмоток, соединенных определенным образом. Поставив на вход блока управления интегрирующую цепочку для сглаживания: импульсного напряжения обратной связи, можно получить систему регулирования первого порядка. Так как фильтры и паразитные парс(метры трансформатора оказываются выведенными за контур регулирования.

то параметры их можно выбирать любыми, добиваясь, например, требуемого сглаживания выходного напряжения. Большой запас по устойчивости преобразователя позволяет применение частотно-фазового принципа управления, превращающего преобразователь в астатическую систему. Схема соединения блока управления с выходом преобразователя, несмотря на введение дополнительных обмоток и вйпрямителей, упрощается, поскольку не требуется сложных корректирующих звеньев.

Формула изобретения Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения, содержащий инвертор, выходной трансформатор, выпрямитель, выходной LC фильтр, ключевой регулятор напряжения с входным LC фильтром и с блоком управления, первый входной вывод которого соединен с первым выходным выводом преобразователя, и цепочку для обеспечения устойчивости системы регулирования, в которую входят дополнительная обмотка дросселя выходного LC фильтра, магнитно связанная с основной обмоткой, разделительный конденсатор и резистор, отличающийся тем,что, с целью повышения устойчивости работы, указанный трансформатор снабжен двумя дополнительными обмотками, од-на из которых магнитно связана с его первичной обмоткой, а другая - со вторичной, дроссель входного LC фильтра снабжен дополнительной обмоткой, магнитно связанной с основной, введены два выпрямителя, подключенные входом к соответствующи дополнительным обмоткам трансформатора, нагруженные на балластные резисторы и соединенные между собой по выходу встречно через последовательно соединенные разделительный конденсатор и резистор цепочки для обеспечения устойчивости, который через со ласно-последовательно соединенные дополнительные обмотки дросселей входного и выходного LC фильтров включен между вторым входным выводом блока управления и вторым выходным выводом преобразователя.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

рис. 11-1.

3.Авторское свидетельство СССР 386388, кл. G 05 F 1/20, 1970.