Стабилизированный конвертор Советский патент 1981 года по МПК G05F1/56 H02M3/335 

(54) СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ КОНВЕРТОР

Изобретение относится к электротехнике, в частности к вторичным источникам питания электронной аппаратуры . Известен преобразователь-стабили- затор напряжения, содержащий задающий генератор, трансформаторный двух тактный усилитель мощности с транзисторами, соединенными по цепи управления с задающим генератором через входной трансформатор, широтноимпульсный модулятор, работающий на двойной частоте задающего генератора выходной выпрямитель и короткозамыкатель, соединенный по входу с ШИМмодулятором, а по выходу - с обмоткой входного трансформатора 1. Однако такой преобразователь-ста билизатор имеет увеличение габарито за счет большего количества намо.точ ных изделий. Известен ключевой стабилизатор постоянного напряжения, содержащий основной и дополнительный ключевые элементы, подключенные к распредели тельному узлу и, через последовател но соединенные DL и DL С-фильтры и датчик тока, связанный с одной стор ны через пороговый блок, а с другой через сравнивающий элемент, усилитель и ШИМ-преобразователь, с распределительным узлом, - к выходному выводу позволяющий обеспечить режим непрерывного тока в дросселе фильтра и уменьшить суммарные габариты и вес обоих дросселей при больших изменениях тока нагрузки 2. Однако при малых изменениях тока нагрузки этот стабилизатор имеет увеличенные габариты за счет дополнительного дросселя. Кроме того, устройство не обеспечивает гальванической развязки между питающим и выходным напряжением. Известно устройство для питания радиоаппаратуры, содержащее последовательный регулирующий транзистор, выходной DL С-фильтр, выходом подключенный к статическому преобразо-. вателю напряжения, связанному со схемой управления модулирукицим транзистором. Это устройство облгщает высоким КПД и позволяет получить гальванически развязанные с первичным источником стабилизированные выходные напряжения для питания электронной аппаратуры 3. Работа основных транзисторов устройства в ключевом режиме позволяет снизить рассеиваемую на них мощность

и уменьшить габариты, однако наличие постоянной составляющей тока в дросселе и ограничения по максимально возможной частоте преобразования, вызванное падением КПД статического преобразователя, работающего в автогенераторном режиме, препятствуют снижению габаритов дросселя и трансформатора и, как следствие, микроминиатюризации всего устройства в целом.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является двухканатный стабилизированный преобразователь, содержащий конденсатор фильтра, выходной трансформатор, вторичные обмотки которого через выпрямители подключены к выходньм выводам, а средняя точка первичной обмотки подключена к одному из входных выводов, причем другой входной вывод подключен к двум параллельно соединенным цепям, каждая из которых содержит соединенные последовательно полуобмотку дросселя и шунтированный диодом силовой ключ, управляющий электрод каждого из которых подключен к блоку управления, включающему в себя компаратор, один вход которого подключен к управляющему входному выводу, другой - к выходу измерительного органа, а по входу связанному с одними из входов элементов совпадения, другие входы которых подсоединены соответственно к парафазным выходам триггера, причем выходы этих элементов подключены к первым двум выходам блока управления В известном устройстве построение схемы управления инвертором обеспечивает непрерывность передачи тока в нагрузку на вторичной стороне трансформатора при неизменной треугольной борме передаваемого тока, причем за счет фиксации амплитуды тока, отбираемой от источника питания, осуществляется стабилизация среднего значения тока, передаваемого в нагрузку, и одновременная автомтическая защита инвертора от перегрузок по току. Плавный характер нарастания тока через силовые управляемые ключи обеспечивают сокргицение коммутационных потерь, а устранение постоянного подмагничивания дросселя позволяет уменьшить его массо-габари±ные характеристики 4.

( Недостатком известного инвертора я яются увеличенные габариты трансформатора и конденсатора фильтра, а также повышенная пульсация выходного напряжения, из-за чего в ряде случаев требуется установка дополнительных фильтров, приводящая к дополнительному увеличению габаритов инвертора. Увеличение габаритов трансформатора и элементов фильтра в известном устройстве вызвано необходимостью передачи в нагрузку, имеющую емкостной характер, тока, изменяющегося по треугольному закону, при этом пульсации н апряжения на нагрузке должны быть незначительными. Традиционный способ сокращения габаритов трансформатора и дросселя фильтра за счет повьлиения рабочей частоты инвертора для известного устройства не может дать полного положительного эффекта, так как с ростом частоты снижается значение предельно допустимой реакционной мощности и количество типов конденсаторов, которые могут быть использованы в фильтрах, а также увеличиваются искажения, вносимые трансформатором.

Цель изобретения - уменьшение массо-габаритных характеристик устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство введены два других силовых транзисторных ключа, управляющие переходы которых, зашунтированные диодами, подключены к дополнительным выводам блока управления , а силовые переходы подключены между выводами начала и конца первичной обмотки трансформатора и средней точкой соединения полуобмоток дросселя, связанной через конденсатор фильтра с одним из входных выводов, а через параллельно включенные введенные резистор и конденсатор - с катодами двух введенных диодов, аноды которых подключены к коллекторам введенных силовых транзисторов.

Блок управления может быть выполнен в виде задающего генератора, соединенного со входами ШИМа и триггера, прямой и инверстный выходы которого подключены к базам п-р-п транзисторов первой дифференциальной пары, эмиттеры которых через резистор соединены с другим входным выводом и с первым выходом ШИМа, второй выход которого подсоединен ко входам элементов совпадения, а управляющий вход соединен через резистор с одним из входных выводов и непосредственно с коллектором одного из р-п-р транзисторов компаратора, выполненного по схеме дифференциального усилителя, вход которого подключен к средней точке резистивного делителя, а эмиттер, через резистор, - к этому же входному выводу и непосредственно к эмиттеру второго транзистораJ вход которого через стабилитрон соединен с одним из входных выводов, через резистор с его коллектором резистивным делителем и третьим выводом блока, и непосредственно с базой одного из р-птранзисторов второй дифференциальной пары, Э1 иттеры которых через резистор соединены с одним из входных выводов, коллекторы попарно объединены с коллекторами транзисторов первой дифференциальной пары и подключены к дополнительным выходам блока, а база второго р-п-р транзистора пары соединена через диод с базой первого р-п-р транзистора и непосредственно с коллектором п-р-п транзистора, база которого подключена к прямому выходу триггера, а эмиттер через резистор подсоединен к первому выходу ШИМа.

На фиг. 1 представлена электрическая принципиальная схема устройства; на фиг. 2 - то же, с вариантом мостового включения дросселя; на фиг. 3 - электрическая принципигшьная схема блока управления.

Устройство содержит блок 1 управления, выходы а и б которого подключены к базам п-р-п транзисторов силовых ключей 2 и 3, коллекторы которых через диоды 4 и 5 подключены к одному из входных выводов и непосредственно к одним из концов полуобмоток дросселя 6, другие объединенные концы которых подключены к эмиттерам двух других транзисторных силовых п-р-п ключей 7 и 8, одному выводу конденсатора фильтра 9, и вывод питания в блока 1 управления, выходы гид которого подключены, соответственно к зашунтированным диодами 10 и 11, базам транзисторных ключей 7 и 8, коллекторы которых через анодкатод диодов 12 и 13 подключены к параллельно соединенным конденсатору 14 и резистору 15, и другому входному выводу через полуобмотки трансформатора 16, вторичные обмотки которого через выпрямители 17 подключены к выходным выводам 18 устройства.

Вариант выполнения устройства (фиг. 2) аналогичен первому с тем отличием, что выводы начала и конца дросселя 6 подключены к коллекторам первых силовых транзисторных ключей 2 и 3 и коллекторам дополнительных силовых ключей 19 и 20 обратной p-nпроводимости, база-эмиттерные переходы которых шунтируют база-эмиттерные переходы вторых силовых транзисторных п-р-п ключей 7 и 8.

Кроме того, блок управления содержит задающий генератор 21(фиг.3) соединенный со входами ШИМ-преобразователя 22 и триггера 23, прямой и инверсный выходы которого подключены к базам п-р-п транзисторов 24 и 25 первой дифференциальной пары, эмиттеры которых через резистор 26 связаны с входным выводом, и соответственно - к выходам а и б блока через два элемента 2И-НЕ 27, другие два входа которых подключены к выходу ШИМ-преобразователя 22, управляющий вход которого соединен через резистор 28 с одним входным выводом и непосредственно с коллектором одного из р-п-р транзисторов 29 дифференциального усилителя, играющего роль компаратора. База транзистора подключена к средней точке резистивного делителя 30, являющегося измерительным органом, а эмиттер через токовый резистор 31 - к одному входному выводу и непосредственно к эмиттеру второго транзистора 32, база которого через анод-катод стабилитрона 33, задающего эталонное управляющее напряжение, соединена с одним входным выводом, а через резистор 34 - с его коллектором, резистивным делителем 30 и выводом питания блока и непосредственно с базой одного и р-п-р транзисторов 35 второй дифференциальной пары, эмиттеры которых через резистор 36 соединены с одним входным выводом, коллекторы попарно объединены с коллекторами транзисторов 24 и 25 и подключены к выходам гид блока, а база транзистора 37 соединена через катоданод диода 38 с базой транзистора 35 и непосредственно с коллектором п-р-п транзистора 39, база которого подключена к прямому выходу триггера 23, а эмиттер через резистор 40 - к другому входному выводу, соединенному с общей шиной ШИМ-преобразователя 22.

Устройство работает следующим образом.

Широтно-модулированные импульсы, появляющиеся поочередно на выходах а и б блока 1 управления, открывают поочередно транзисторные силовые ключи 2 и 3 на время, соответствующее длительности импульса. При эт9м происходит нарастание тока в соответствующей полуобмотке дросселя 6. При закрывании ключа энергия, запасенная в дросселе, обеспечивает поддержание в этой полуобмотке тока, протекающего через диод 4 и 5 в том же направлении, величина которого линейно убывает по мере расходования энергии, запасенной в дросселе. В следующую половину периода работы происходит нарастание тока в другой полуобмотке дросселя при открывании другого силового ключа и спад его, когда силовой транзистор закрыт. Скорость нарастания и спада тока в обмотке дросселя определяется его индуктивностью и величиной напряжения, приложенного к его выводам, в связи с чем в устройстве при неизменной частоте переключения силовых ключей максимальное значение тока, протекающего через обмотку дросселя не превьааает выбранных значений. Таким образом,обеспечивается автоматическая згицита инвертора от перегрузок по току без введения какихлибо дополнительных цепей защиты.

Изменением времени отк хлвания силовых цепей можно регулировать максимальное и среднее значение тока, протекающего через обмотки дросселя и конденсатор фильтра 9. Треугольные импульсы тока обеспечивают заряд конденсатора фильтра 9 до напряжения, соответствующего установленному значению. При этом в блоке управления часть напряжения конденсатора фильтра 9, снимаемая с резистивного делителя 30, сравнивается с помощью дифференциального усилителя на транзисторах 29 и 32 с эталонным напряжением на стабилитроне 33. В зависимости от результата сравнения изменяется выходной ток дифференциального усилителя, который управляет длительностью выходного импульса ШИМ-преобразователя 22, который с помощью триггера 23 и элементов 2И-НЕ 27 поочередно поступает на выходы а и б блока 1 управления. Частота переключения определяется частотой работы задающего генератора 21 а длительность включающего ШИМ-сигнала регулируется таким образом, что обеспечивается автоматическое поддержание напряжения на конденсаторе фильтра 9 в заданных пределах

Противофазные сигналы с выходов триггера 23 поступают непосредственн на базы токозадающих транзисторов 24 и 25 первой дифференциальной пары, а через токовый переключатель на транзисторе 39 и резисторе 40 - на базы токозадающих транзисторов 35 и 37, где фиксируются с точностью напряжения, падающего на диоде 38 на уровне напряжения на стабилитроне 33

Сигнал с выходов триггера обеспечивают включение одного из транзисторов первой дифференциальной пары и противофазное включение транзисторов второй дифференциальной пар Коллекторные токи транзисторов обоих дифференциальных пар выбираются с помощью резисторов 26 и 36 равными и достаточными для полного поочередного открывания вторых транзисторных силовых ключей 7 или 8 устройства и соответствующего поочередного подключения к конденсатору фильтра 9 половины первичной обмотки трансформатора 16. Выводы начала и конца первичной обмотки трансформатора через диоды 12 и 13 подключены к параллельной КС-цепочке 14 и 15, постоянная времени которой выбирается- много меньше длительности период а переключения, что позволяет устранить выбросы напряжения на коллектсурах транзисторов силовых ключей 7 и 8.

Дифференциальное, токовое переключение силовых транзисторов усилителя мощности позволяет свести к минимуму время их включения и выключения, уменьшить потери мощности на переключение и получить практически прямоугольную форму напряжения на вторичных обмотках трансформатора,

что обеспечивает получение постоянного напряжения на выходе выпрямителя при отсутствии конденсатора фильтра или при малых значениях его, когда время переключения транзисторов становится соизмеримым с периодо переключения.

В предлагаемом конверторе величина емкости конденсатора фильтра 9 в 2-4 раза меньше, чем в известном, так как она выбирается и-з таких же расчетных соотношений, и практически ее значение обратно пропорционально величине постоянного напряжения на нем.

Строгое равенство полупериодов переключения ключевых, усилителя мощности и переключающих ШИП-стабилизатора, транзисторов обеспечивает симметрию работ последних и способствует более удовлетворительной работе дросселя и трансформатора на высоких частотах.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет умен шить объем, занимаеьфлй наиболее габаритными элементами устройстваJ дросселем и трансформатором, уменьшить их линейные размеры, что обеспечивает возможность разработки устройства в микроминиатюрном исполнении с улучшенньгми моногабаритными характеристика1 /1И.

Введение дифференциальных транзисторных пар позволяет осуществить переключение мощных ключевых и переключающих транзисторов ограниченными токами базы, свести до минимума время и повысить частоту переключения, снизить массогабаритные пока-затели намоточных изделий и фильтрующих конденсаторов.

Формула изобретения

отличающийся тем,что, с целью улучшения массо-габаритных покзателей, в него введены два других силовых транзисторных ключа, управляющие переходы которых, шунтированные диодами, подключены к дополнительным выводам блока управления, а силовые переходы включены между крайними выводами первичной обмотки трансформатора и средней точкой соединения полуобмоток дросселя, связанной через конденсатор фильтра с одним из входных выводов, а через параллельно включенные введенные резистор и конденсатор - с катодами двух введенных диодов, аноды которых подключены к коллекторам введенных транзисторов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

кл. Н 02 М 3/335, 04.04.77.

12 и

-pthr

LcT tfeHJ U;

.«..«.,. ii

/3

4й

S

6

.

t

S

- О/

Д5

/

J

фиг.1

®

л

Ffl

О

f8 iw

1Ъ

-й15

2

-TW

Л

-оД

0U2Z