Многофазный импульсный стабилизатор постоянного напряжения Советский патент 1981 года по МПК G05F1/56 

1

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах электропитания аппаратуры, требующей стабилизированного постоянного напряжения.

Известны импульсные стабилизаторы постоянного напряжения fll и C2i.

Известны устройства, содержащие ключевой транзистор, сглг живгиощий LCD-фильтр, трансформатор с магнитопроводом из материала с прямоугольной, петлей гистерезиса и опорный злемент. Вторичная обиотка трансформатора соединена с эмиттер-базовым переходом ключевого транзистора. Управление параметрического типа обеспечивает высокое быстродействие и простоту схемы стабилизатора tl .

Недостаток данных устройств заключ ется в повышенной величине ctMплитуды пульсаций напряж&ния на его выходе.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство, в котором величина амплиту-. ды пульсаций напряжения на выходе стабилизатора значительно yfteHbiaeHa. Устройство содержит силовую часть и 9лок управления. Силовая часть выпол яеиа,в виде четырех параллельно соединенных ключевых преобразовательных ячеек и представляет собой широко известную схему понижгиощего однотактного импульсного преобразователя постоянного напряжения. Управление ключевыми транзисторами ячейки обеспечивается измерительным устройством и широтно-импульсным модулятором (ШИМ). Силовая часть ячейки совместtoно с измерительным устройством и ШИМ образуют компенсационный стабилизатор напряжения. Коммутация ключевых транзисторов каждой последу|с|цей ячейки по отношению к предыдущей осущест15вляется с временным сдвигом Т/п, где Т - период коммутации ключевых транзисторов, п - количество преобразовательных ячеек. Временной сдвиг работы ключевых транзисторов позволяет

20 снизить уровень амплитуды пульсаций выходного напряжения. Импульсы на включении ключевых транзисторов, формируемые генератором тактовых импульсов, распределяются распределителем

25 импульсов последовательно на каждую из преобразовательных ячеек ГЗ.

Недостатком данного устройства является невысокое быстродействие и

30 относнт льная сложность схемы блока

управления стабилизатором, присущая компенсационному типу управления.

Целью изобретения - упрощение схемы и улучшение динамических свойств стабилизатора.

Поставленная цель достигается тем, то в многофазном импульсном стабилизаторе постоянного напряжения генератор тактовых импульсов и формирователи ширины импульсов выполнены в виде импульсных параметрических стабилизаторов постоянного тока, включенных по цепям питания параллельно входным клеммам, соединенных с общим опорным элементом и состоящих из линейного дросселя и охваченного йоложительной обратной связью.магнитнотранзисторного каскада с насыщающимся трансформатором, первичная обмотка которого соединена параллельно с обмоткой линейного дросселя и включена последовательно в цепь ключевого транзисторного элемента, первая из вторичных обмоток использована в качестве цепи положительной обратной связи, а вторая является-выходной, причем в цепь обратной связи каждого формирователя ширины импульсов введен ключевой прерыватель в виде коммутирующего транзистора, Порогового элемента, триггера, диода и двух формирователей коротких импульсов, вход одного из которых подключен к выходу распределителя импульсов, вход другого - через диод к обмотке обратной связи магнитно-транзисторного каскада, а их выходы соединены со входами триггера, подключенного своим выходом через пороговый элемент к управляющей цепи коммутируквдего транзистора.

На фиг. 1 и 2 представлена принципиальная электрическая схема стабилизатора для четьгрех ключевых преобразовательных ячеек; на фиг. 3 - временные диаграммы напряжений.

Стабилизатор содержит силовую часть и блок управления. Силовая часть стабилизатора выполнена в виде параллельно соединенных ключевых преобразовательньах ячеек. Каждая ячейка состоит из ключевых транзисторов 1-4 {для ключевых транзисторов второй, третьей, четвертой ячеек соответственно) / LCD-фильтра с линейным дросселем 5 (6-8 для второй и последующих ячеек соответственно) и диодом 9 (10|12 для второй и последующих ячеек соOTBeijcTSeHHo) . Блок 13 управления включает генератор 14 тактовых импульсов , распределитель- 15 1 ульсов и формирователь 16 щирйны импульсов, для управления ключевым транзистором первой преобразовательной ячейки (1719 для второй и послелукадих ячеек соответственно), опорный элемент 20 и источник 27 вспомогательных напряжений. Генератор 14 тактовых импуль- сов содержит линейный дроссель 22, обратный диод 23 генератора, магнитотранзисторный каскад (ключевой транзисторный элемент 24, трехобмоточный насыщающийся трансформатор 25 с первичной обмоткой 26 и вторичными обмоками 27 и 28), диод 29 генератора и схему 30 нормализации выходного сигнала, выполненную, например, на основе ограничителя амплитуды импульса и оптоэлектронного ключа. Распределитель 15 импульсов выполнен, например, на основе Т- или D-триггеров. Состояние распределителя 15 изменяет ся в момент поступления на его вход очередного тактового импульса.

Формирователи 16-19 ширины импуЛьсов идентичны дгуг другу (на фиг. 2 показана схема лишь одного формиро вателя 16 ширины импульсов для управления первой преобразовательной ячейкой) . Формирователь 16 ширины импульсов содержит линейный дроссель 31, обратный диод 32 формирователя, магнно-транзисторный каскад (ключевой транзисторный элемент 33 с цепью его запирания - клемма 34, 35, и диод 36 и трехобмоточный насыщакхцийся трансформатор 37 с первичной овмоткой 38 и вторичными обмотками 39 н 40, ключевой прерыватель (коммутирующий тразистор 41, триггер 42 с управляющим выходом 43, формирователи 44 и 45 коротких импульсов, пороговый элемент, например, стабилитрон 46, схема 47 нормализации входного сигнала и диод 48 формирователя). Опорный элемент 20 состоит, например, из стабилитрона 49 и фильтра - конденсатора 50. Сеть питающего напряжения соединена с положительной 51 и отрицательной 52 клеьолами стабилизатора. Силовая часть каждой ключевой преобразовательной ячейки является однотактным :импульсным понижаюсцим стабилизатором постоянного напряжения. Генератор 14 задсиощих импульсов представляет собой однотактный импульсный параметрический стабилизатор постоянного тока, подключенный входом к сети питающего напряжения стабилизатора и нагруженный на опорный элемент 20. Первичная обмотка 26 насыщающегося трансформатора 26 подключена параллельно к обмотке линейного дросселя 22 и включена последовательно в цепь ключевого транзистора элемента 24, одна из вторичных обмоток 27 подключена через ограничительный резистор к эмиттер-базовому переходу транзистора 24, а вторая - выходная обмотка 28 соединена через диод 29 и схему 30 нормализации выходного сигнала с входом распределителя 15. Формирователи 16-19 ширины импульсов являются также однотактными импульсньвди параметрическими стабилиза торами постоянного тока, но с разомкнутой цепью положительной обратной связи. Формирователи ширины импульсов входами подключены к сети питгиоцего напряжения и также нагружены на опорный элемент ,20. Первичная оёмотка 38 насыщающегося трансформатора 37 подключена, параллельно к обмотке линейного дрос селя 31 и включена последовательно в цепь ключевого транзисторного элемен та 33 (например, составного транзистора) , .вторичная обмотка 40 - выходЬая обмотка формирователя ширины имЬульсов соединена через ограничитель (ный резистор с эмиттер-базовым переходом ключевого транзистора 1 преобразовательной ячейки. Вторичная обмотка 39 соединена через диод 48, схему 47 нормализации входного сигнала, и формирователь 44 коротких им пульсов с одним из входов триггера 42. К входу формирователя 45 корот ких импульсов подсоединен один из в ходов распределителя 15, а к выходу второй - вход триггера 42. Выход 43 триггера 42 подключен через пороговый элемент 46 к управляющим цепям коммутирующего транзистора 41 баЗой соединенного с корпусом триггера 42 или с клеммой питания данного тригге ра) . Источник 21 вспомогательных напря жений .обеспечивает запирание ключевы транзисторных элементов форми{ овате лей ширины импульсов и питание схем распределителя 15, триггеров, формирователей коротких импульсов, нормализацию импульсов. Устройство работает следующим образом. I При подаче питания на вход cxeNU стабилизатора триггеры формирователей 1бт19 ширины импульсов устанавливаются в состояние, когда на их управляющих выходах (выходе 43 триггера 42 для формирователя 16) напряжение, близко к нулю. Коммутирующие транзйсто формирователей 16-19 (транзистор 41 для формирователя 16) закрыты. Ключевые элементы (33 для формирователя первой ячейки) формирователей ширины импульсов закЕыты напряжением источника 21 вспомогательных напряжении, прикладываедюго к цепям управления транзисторов (клеммам 34 и 35 для транзистора формирователя 16). На выходных обмотках формирователей 46-19 напряжение отсутствует. Следовательно ключевые транзисторы 1-4 преобразовательных ячеек находятся в закрытом состоянии. В момент подачи напряжения на вход генератора тактовых импульсов током утечки транзистора 24 создается некоторое напряжение на обмотке дросселя 22 и на первичной обмотке 26 трансформатора 25 генератора 14 . Транзистор 24 лавинообраз но открывается напряжением на обмотке 27 трансформатора 25. Напряжением, приложенным к обмотке дросселя 22 я к обмотке 26 трансформатора 25, магнитопровод этого трансформатора перемагничивается от исходного состояния - Bg до состояния насыщения +85. Транзистор 24 напряжением положительной обратной связи (напряжением на обмотке 27) переводится в насыщенное состояние. Импульс положительной полярности, снимаемый с выходной обмотки 28, поступает на вход схемы 30, где с целью защиты элементов распределителя 15 нормашизуется - ограничивается по амплитуде и гальванически развязывается. При достижении насыщения магнитопровода трансформатора 25, противо-ЭДС, наводимая в обмотке 26, резко уменьшается. Напряжение и ток эмиттер-базового перехода транзистора 24 резко .уменьшаются. Транзистор 24 переходит в активный режим. Коллекторный ток (ток дросселя 22) уменьшается, вызывая изменение полярности противо-ЭДС на обмотке дросселя 22 на противоположное. Под действием напряжения обратной связи транзистор 24 переходит в режим глубокой отсечки. Дроссель 22 разряжается на опорный элемент 20 через диод 23. Импульс отрицательной полярности, наводимый на обмотке ,28 при закрытом транзисторе 24, блокируется диодом 29. При достижении насыщения магнитопровода транзистор 24 снова переходит в открытое состояние Импульс положительной полярности приходит на вход распределителя. В дальнейшем цикл работы генератора тактовых импульсбв повторяется, таким образом, генератор формирует импульсы положительной полярности с периодом повторения ь. На фиг. 3 представлена временная диаграмма напряжений Up.. на выходе генератора тактовых импульсов. При поступлении с выхода генератора 14 тактовых импульсов на вход распределителя 15 кгмсдого очередного импульса распределитель формирует последовательно на каждом из своих выходов импульс, период Т следования которого в четыре раза (в общем случае в п раз) больше периода т; следования тактовых импульсов. На фиг. 3 представлены временные диагрги.1мы напряжений на первом Цл, втором Upn третьем Up и четвертом Up выходах распределителя 15, т.е. на входах формирователей 16-19. Первый выходной импульс распределителя 15 поступает на вход формирователя 16 ширины импульсов. Формирователь 45 короткиз импульсов изменяет длительность импульса, формируя короткий запускакжоий импульс для управления триггером 42. Импульс переводит триггер 42в состояние, в котором на выходе 43триггера 42 появляется напряжение, близкое л напряжению питания схемы триггера. Это напряжение прикладывается к цепи нагрузки триггера 42 пороговому элементу 46 и эмиттер-базовому переходу коммутирующего транзистора 41. Стабилитрон 46 пробивается и в управляющей цепи транзистора ч 41 протекает ток. Транзистор 41 открывается. К эмиттер-базовым цепям составного транзистора 33 приклады- j вается отпирающее напряжение, транзистор 33 открывается. По цепи: положительная клемма питающей сети (клемма 51) - эмиттер-коллекторный переход транзистора 33 - линейный дроссель 31- «Q опорный элемент 20 - отрицательная кпеюла питающей сети (клемма 52) протекает ток. К обмотке дросселя 31 и к обмотке 38 трансфо млатора 37 прикладывается напряжение. Магнитопровод трансформатора 37 перемагничивается от исходного состояния - Bg до состояния насьлцения + 85. Импульс отрицательной полярности на обмотке 39 блокируется диодом 48. Прямоугольный импульс положительноый полярности20

положительной полярдрсти на выходной обмотке 40 формирователя 16 открывает ключевой транзистор 1 преобразовательной ячейки. Ток питающей сети протекает по цепи: клемма 51 - коллек- 25 тор-эмиттерный переход транзистора 1линейный дроссель 5 фильтра - нагрузка - клемма 52. При достижении насыщения магнитопровода трансформатора 37 противо-ЭДС наводимая в обмотке jQ 38, резко уменьшается, что вызывает скачкообразное увеличение тока первичной обмотки 39 трансформатора и уменьшение тока, протекающего черезобмотки дросселя 31. ЭДС, наводимая jj в обмотке дросселя 31, в обмотках 38 и 39 трансформатора изменяет свою полярность.. Импульс напряжения с обмотки 39, нормированный схемой 47 и укороченный формирователем 44 коротких импульсов, поступает на вход тригге- 0 ра 42 и переводит его в исходное состояние. Ток, протекакяций через эмиттер-базовый переход транзистора 41, уменьшается до нуля (остаточное напряжение на выходе триггера 42 мень- 45 ше напряжения пробоя стабилитрона 46) Транзистор 41 и составной- транзистор 33 закрываются. Ток дросселя 31 замыкается через опорный элемент 20 и диод 32. Магнитопровод трансформато- 50 ра 37 перюмагничивается в исходное состояние. В момент изменения полярности противо-ЭДС линейного дросселя изменяется и полярность импульса напряжения выходной обмотки 40. Тран- зистор 1 закрывается. Дроссель 5 разряжается на нагрузку открывшийся диод 9. Очередной импульс формирователя 16 переводит триггер 42 в противоположное состояние, открывая транзистор 41. Цикл работы формирова- 60 теля 16 повторяется. Временные диаграммы напряжения if на обмотке дросселя 31 и напряженне иц1шм на выходной обмотке 40 трансфгюматора 37 представлены на фиг. 2.

Второй импульс положительной полярности, формируемый генератором 14 тактовьлх импульсов, поступает на распределитель 15, а через него на вход .формирователя 17 ширины импульсов.

Процессы в формирователе 17 повторяют процессы в формирователе 16. Таким образом, ключевой транзистор 2 второй ячейки коммутируется с фазовым сдвигом f относительно времени коммутации транзистора 1. Третий положительный импульс генератора 14 импульсов вызывает включение транзистора 3 через период времени t после включения транзистора 2. Четвертый положительный импульс вызывает включение транзистора 4 через период времени & после включения транзистора 3. Через период времени 4 С после первого импульса положительной полярности пятый импульс снова поступает на формирователь 16 и цикл работы всего устройства повторяется. На Фиг. 3 представлены временные диаграммы напряжения ифш„,на выходе формирователя 17 напряжения ифшцо, - на выходе формирователя 18, напряжения и,ш14л, - на выходе формирователя 19. Схема обеспечивает как стабилизацию напряжения на выходе каждой ключевой преобразовательной ячейки и стабилизатора, так и фазовый сдвиг периода коммутации ключевых транзисторов ячеек.

Действительно, время замкнутого и разомкнутого состояния транзистора генератора тактовых импульсов, который представляет собой импульсный параметрический стабилизатор тока, нагруженный на опорный элемент, определяется временем перемагничивания магнитопровода.

При обычном допущении, что падение напряжения на открытом эмиттер-коллекторном переходе ключевого транзистора 24 генератора 14 близко к нулю, замкнутого состояния определяется параметрами трансформатора 25 и величинами питающего Up и опорного оп напряжения и равное

abs bW SUn-Uon

где Bg - индукция насыщения материала магнитопровода трансформатора 25; S - площадь поперечного сечения

магнитопровода; W - количество витков обмотки

26 трансформатора 25. При обычном допущении, что падение напряжения на диоде 23 в прямом направлении близко нулю, времяразомкнутого состояния транзистора

,bw

и,

on

Период коммутации при этом

--vv( а коэффициент.заполнения импульса Т - t /t . (1) Связь между питающим и выходным напряжением в однотактных стабилизаторах понижающего типа определяется выражением Стабилизация напряжения на выходе каждой ячейки достигается за счет того, что ключевые транзисторы каждой преобразовательной ячейки коммутируются с тбй же скважностью, что и транзистор генератора тактовых импульсов. При этом как следует из Bkражения (2) при подстановке равенств (1) В свою очередь, равенство коэ(|$фициентов заполнения достигается.тем, что время tlj и tp перемагничивания из одного состояния в другое и перио Т перемагничивания магнитопровода трансформаторов формирователей ширины импульсов пропорциональны времени и периоду перемагничивания магнитопровода трансформатора генератора тактовых импульсов. При одном и том же материале, т.е. при одной и той же величине индукции насыщения В , это обеспечивается увеличением поперечного сечения магнитопровода транс форматоров формирователей ширины импульсов или, количества витков первич ной обмотки в п раз по сравнению с соответствующими параметрами трансформатора генератора тактовых импульсов . Один и тот же фазовый сдвиг V « Т/п кокмутации транзисторов прёобразовательных ячеек обеспечивается работой генератора тактовых импульсов и формирователей ширины импульсо на-один и тот же спорный элемент и применением управляемой положительной обратной связи в формирователях ширины импульсов. Работа как генератора тактовых импульсов, так и формирователей ширины импульсов на один и тот же опор ный элемент, кроме того, обеспечивает симметрию момента закрытия ключевых транзисторов всех преобразовател ных ячеек. Таким образом, каящая пре образовательная ячейка в совокупност с генератором тактовых импульсов, формирователем ширины импульсов, с общим для всех ячеек опорным элементом образуют единое устройство - паргш-ютрический стабилизатор напряжения. Формула изобретения ; Многофазный импульсный стабилизатор постоянного напряжения, содержащий силовую цепц, выполненную в виде N параллельно соединенных ключевых преобразовательных ячеек, кешщая из которых состоит из ключевого транзистора и LCD-фильтра, и блок управления, состоящий из генератора тактовых импульсов, распределителя импульсов с N выходами, N формирователей ширины импульсов, ОПОРНОГО элемента, источника вспомогательных напряжений, при этом распределитель импульсов входом подключен к выходу генератора тактовых ИМПУЛЬСОВ, а выходом - к уп вляклцим цепям формирователей шириньтимпульсов, а выход кгикдого из формирователей ширины импульсов соединен с управляющей цепью ключевого транзистора преобразовательной ячейки, о т л и 1ающийся тем, что, с иелью упрощения схема и улучшения динамических свойств стабилизатора, генератор тактовых импульсов и формирователи ширины импульсов выполнены в виде импульсных параметрических стабилизаторов постоянного тока, включенных по цепям питания параллельно входным клеммам, соединенных с общим опорным элементом и состоящих из линейного дросселя и охваченного положительной обратной связью магнитно-транзисторного каскада с насыщающимся трансформатором, первичная обмотка которого подключена параллельно обмотке линейного дросселя и включена последовательно в цепь ключевого транзисторного элемента, первая из вторичных обмоток использована в качестве цепи положительной обратной связи, а вторая является выходной, причем в цепь обратной связи каждого формирователя ширины импульсов введен ключевой прерыватель, выполненный в виде коммутирунщего транзистора, порогового элемента, триггера, диода и двух формирователей коротких импульсов, вход одного из которых подключен к одному из выходов распределителя импульсов, вход другого - через диод к обмотке обратной связи магнитно-транзисторного каскада, а их выходы соединены со входами триггера, подключенного своим выходом через пороговый элемент к управляюсцей цепи ко1«лутирующего транзистора. Источники информации, принятые во внимание пря экспертизе . Моин В. С., Лаптев И. П. Стабилизированные транзнсторные преобразователи. М., Энергия, 1972, с. 295, рис. 8-18. 2.Авторское свидетельство СССР 327462, кл. G 05 F 1/56, 1968. 3.Электродная техника в автоматигке. Под ред. Ю.И. Конева, н., Советское радио, вып. 10, 1978, с. 107;L13, рис. 1, 2.

ft

Л