Преобразователь напряжения Советский патент 1982 года по МПК H02M3/335 

1

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть ис пользовано при разработке вторичных источников питания радиоэлектронной аппаратуры.

Известен преобразователь напряжения, содержащий N преобразовательных ячеек, входами подключенных к входным выводам, а выходами через соответствующие выпрямители - к выходным выводам, и задающий генератор, выходы которого подкл1 чены к входам синхронизации преобразовательных ячеек 1 .

Недостатками известного преоб|5азователя являются низкая надежность и невысокий КПД при работе в широком диапазоне изменения нагрузки и температур окружающей среды, что обусловлено повышенными потерями в цепях управления устройства.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является преобразователь напряжения, содержащий N преобразовательных ячеек, подключенных входом к входным, а выходомк выходным выводам и включающих в себя по два силовых транзистора, силовой и коммутирующий трансформаторы и токозадающий двухполюсник, причем силовые транзисторы эмиттерами связаны с первым входным выводом преобразовательной ячейки, а нх базы подсоединены к первым выводам выходных обмоток коммутирующего трансформаtoтора, вторые выводы которых соединё ны между собой и через токозада1ощий двухполюсник подсоединены к первому входному выводу преобразовательной ячейки, две первичные обмотки силового трансформатора первыми выводами соединены между собой и подключены к второму входному выводу преобразовательной ячейки, выходная обмотка силового трансформатора связана с выходными выводами преобразовательной ячейки, а коммутирующий трансформатор снабжен ддумя управляющими обмотками, первые выводы которых сое- 398 динены между собой, и блок синхронизации, включающий в себя по N-1 токостабилизирующих двухполюсников и диодов, причем токостабилизирующие двухполюсники первыми выводами подключены к точке соединения первых выводов управляющих обмоток коммутирующего трансформатора соответствующих преобразовательных ячеек 21. Недостатки этого преобразователя рСусЛовлены плохим запуском в широком диапазоне изменения температур окружа ющей среды и сопротивления нагрузки, что снижает надежность устройства, повышенными потерями в цепях управле ния силовыми транзисторами , что снижает КПД и ведет к перегреву узлов устройства, а следовательно, снижению надежности его работы и ухудшению удельных массо-объемных характеристик что особенно заметно при необходимости работы в широком диапазоне измене ния нагрузки, а также повышенными Потерями в цепях синхронизации и неаысокой надежностью при использовании преобразовательных ячеек на осно ве магнито-транзисторных ключей. Цель изобретения - повышение КПД и надежности устройства путем обеспе чения надежности пуска в широком диапазоне изменения температур и нагрузки. Поставленная цель достигается тем что в преобразователь напряжения, содержащий N преобразовательных ячеек, в каждой из которых базы двух силовых транзисторов подключены к первым выводам выходных обмоток коммутирующего трансформатора, причем вторые объединенные выводы этих обмо ток через токозадающий двухполюсник подключены к первому входному выводу и связаны с объединенными эмиттерами силовых транзисторов, коллекторы которых через коллекторные обмотки коммутирующего трансформатора подключены к крайним выводам первичной обмотки силовых трансформаторов, отвод от средней точки которой подключен к второму входному выводу, а выходная обмотка через выпрямитель и фильтр связаны с выходными выводами, и блок синхронизации, включающий в себя N-1 токостабилизирующих двухполюсников и диодов, при этом коммутирующий трансформатор каждой ячейки снабжен двумя управляющими обмотками, первые выводы которых объединены и подключены во всех ячейках, кроме первой. К первому выводу соответствующего токостабилизирующего двухполюсника блока синхронизации, введены блоки запуска и включения, блок синхронизации снабжен двумя транзисторами, вторые выводы токостаби-лизирующих двухполюсников подключены к второму входному выводу, а их первые выводы через упомянутые .диоды - к первому входному выводу, при этом в силовой трансформатор первой (треобразовательной ячейки введена обмотка синхронизации, которая включена последовательно с дополнительным токоограничивающим двухполюсником, и эта цепочка соединена с базами транзисторов блока синхронизации,- коллекторы которых подключены к вторым выводам управляющих обмоток коммутирующих трансформаторов всех ячеек , кроме первой, причем базы транзисторов блока синхронизации подключены к первому и второму выходам блока выключения, третий и четвертый выходы которого соединены с вторыми выводами управляющих обмоток коммутирующего трансформатора первой ячейки, а входс вторым выходом блока запуска, первый выход которого подключен к точке соединения выходных оЬмоток коммутирующего трансформатора, при этом вход блока запуска подключен к входным выводам. Токозадающие двухполюсники преобразовательных ячеек содержат параллельно включенные конденсатор и цепоч ку из последовательно подключенных диодов, причем количество диодов в токозадающем двухполюснике первой преобразовательной ячейки по крайней мере на один больше, чем в остальных N-1 преобразовательных ячейках. Блок запуска включает в себя дифференциальный усилитель, блок эталонного напряжения, два усилителя мощности, делитель выходного напряжения и форсирующий двухполюсник, причем дифференциальный усилитель подключен первым входом к выходу блока эталонного напряжения, вторым входом - к выходу делителя выходного напряжения, вход которого соединен с входными выводами блока запуска, первый выход дифференциального усилителяподсоединен через первый усилитель мощности к первому выходу блока запуска, а его второй выход через второй усилитель мощности соединен с вторым выходом блока запуска, который через форсирующий двухполюсник подключен к втор му входу дифференциального усилителя Блок выключения включает в себя два развязывающих двухполюсника, транзистор, делитель напряжения и вы прямительный мост, причем один входной вывод делителя напряжения, эмиттер транзистора и первый выход постоянного тока выпрямительного моста подключены к первому входному выводу. Первые выводы развязывающих двухполюсников и второй вывод делителя напрянЛния подсоединены к вxoдy блока выключения, вторые выводы развязывающих двухполюсников со единены соответственно с первым- и вторым выходами блока выключения, ба за транзистора подключена к выходу делителя напряжения, а коллектор - к второму выходу постоянного тока выпрямительного моста, первый и второй входы переменного тока которого подсоединены к третьему и четвертому выходам блока выключения. Кроме того, в преобразовательных ячейках соединенные вместе эмиттеры силовых транзисторов через параллель но включенные дроссель и диод подсоединены к первому входному выводу. На чертеже приведена принципиальная электрическая схема преобразова- Теля напряжения. Преобразователь напряжения содержит N преобразовательных ячеек 1, подключенных входом к первому 2 и второму 3 входным выводам, а выходом - к выходным выводам t и 5, каждая из которых включает в себя два силовых транзистора 6 и 7, силовой трансформатор 8 и токозадающий двухполюсник, причем силовые транзисторы 6 и 7 эмиттерами связаны с первым входным выводом, а их базы подсоединены к первым выводам выходных обмоток 9 коммутирующего трансформатора 10 вторые выводы которых соединены межд собой и через токозадающий двухполюс ник 11 подсоединены к первому входному выводу, отвод от средней точки первичной обмотки 12 силового трансформатора 8 подключен к второму вход ному выводу, выходная обмотка 13 силового трансформатора 8 связана с выходными выводами через выпрямитель и фильтр, а коммутирующий трансформа тор 3 снабжен двумя управляющими об-мотками I, первые выводы которых соединены между собой, и блок 15 син хронизации, включающий в себя по .N-1 токостабилизирующих двухполюсников 1б и диодов 17, причем токостабилизирующие двухполюсники 1б первыми выводами подключены к tO4Ke соединения первых выводов управляющих обмоток 1 коммутирующего трансформатора 10 соответствующих преобразовательных ячеек 1. В преобразовательных ячейках крайние выводы первичных обмоток 12 силового трансформатора 8 через коллекторные обмотки 18 коммутирующего трансформатора 10 подключены к коллекторам силовых транзисторов 6 и 7 последовательно вклю,ченные обмотка 19 синхронизации и токоограничительный двухполюсник 20 подключены соответственно к базам перврго 21 и второго 22 транзисторов блока 15 синхронизации, коллектора которых соединены с вторыми выводами управляющих обмоток k всех преобразовательных ячеек, кроме первой, вторые выводы токостабилизирующих двухполюсников 16 блока 15 синхронизации подключены к второму входному выводу 3, а их первые выводы через диоды 17 этого же блока подключены к эмиттерам транзисторов 21 и 22 и к первому входному выводу 2, блок 23 запуска входами 2 и 25 подсоединены к входным выводам 2 и 3, первым выходом 26 соедин ен с точкой соединения вторых выводов выходных обмоток коммутирующего трансформатора 10 первой преобразовательной ячейки, а вторым выходом 27 подключен к входу 28 блока 29 выключения, первый 30 и второй 31 выходы которого соединены с базами транзисторов 21 и 22 блока 15 синхронизации, а третий 32 и четвертый 33 выходы подключены к вторым выводам управляющих обмоток 1 коммутирующе.го трансформатора 10 первой преоб|разовательной ячейки. Токозадающие двухполюсники 11 преобразовательных ячеек 1 содержат параллельно включенные конденсатор 3 и цепочку из последовательно подключенных диодов 35, причем количество диодов в токозадающем двухполюснике 11 первой преобразовательной ячейки 1 по крайней мере на один больше, чем в остальных N-1 преобразовательных ячейках. Блок 23 запуска включает в себя дифференциальный усилитель Зб, блок 37 эталонного напряжения, два усилителя 38 и 39 мощности, делитель 0выходного напряжения и форсирующий двухполюсник 1; причем дифференциальный усилитель .36 подключен первым входом к выходу блока 37 эталонного напряжения, вторым входом - к выходу делителя выходного напряжения, вход которого соединен с входами 24 и 25 блока 23 запуска, первый выход дифференциального усилителя 36 подсоединен через первый усилитель 38 мощности к первому выходу 26 блока 23 запуска, а его второй выход через второй усилитель 39 мощности соединен с вторым выходом 27 блока 23 запуска, который через форсирующий -двух З полюсник 41 подключен к второму входу дифференциального усилителя 36. Блок 29 выключения включает в себя два развязывающих двухполюсника 42, транзистор 43, делитель 44 напря- 20

жения и выпрямительный мост 45, причем один входной выход делителя 44 напряжения-, эмиттер транзистора 43 и первый аыход постоянного тока выпрямительного моста 45 -подключены к пер вому входному выводу 2, первые вывод развязывающих двухполюсников 42 и второй входной вывод делителя 44 напря1| екия подсоединены к входу 28 бло ка 23 выключения, вторые выводы развязывающих двухполюсников ч2 соедине ны соответственно с первым 30 и вторым 3 выходами блока 29 выключения, база транзистора 43 подключена к выходу делителя 44 напряже -;ия, а коллектор - к второму выходу постоянного тока вь грям-хтельного моста 43, первый и второй входы переменного тока которого подсоединены к третьему 32 и четвертому 33 выходам блока 29 выключения, В преобразовательных ячейках 1 соединены вместе эмиттеры силовых транзисторов 6 и 7 через параллельно вкл 0чеиные дроссель 46 и диод 47 подсоединены к первому входному выводу . Преобразователь напряжения работа ет следукхцим образом. Если входное напряжение на входных выводах 2 и 3 устройства не соот ветствует уровню, при котором должен включаться преобразователь (при работе 3 режиме вольтодобавки оно больше некоторого порога срабатывания блока запуска), разность напряжений , снимаемая между выходами блока 37 эталонного напряжения и делителя 40 выходного напряжения поддерживает дифференциальный усилитель 36 в таком состоянии, что усилитель 38 мощности заперт, а усилитель 39 насыщен. При этом на входе блока 23 з пуска отсутствует напряжение, а напряжение с выхода 27 через делитель kk напряжения насыщает транзистор блока 29 выключения. Поэтому на базах транзисторов 6 и 7 первой преобразог вательной ячейки 1 отсутствует запускающий сигнал, а транзистор 3 блока 29 выключения через выпрямительный мост 45 шунтирует управляющие обмотки 14 коммутирующего транска 29 выключения насыщает транзисторы 21 и 22 блока 15 синхронизации. Последние закорачивают управляющие обмотки 14 коммутирующих трансформаформатора 10, вследствие чего эта ячейка выключена. Остальные N-1 преобразовательные ячейки 1 также выключены, так как выходной сигнал с клеммы 27 блока 23 запуска через развязывающие двухполюсники 42 блоторов, остальных N-1 преобразовательных ячеек 1, что препятствует их самопроизвольному запуску. Если входное напряжение на клеммах 2 и 3 соответствует уровнЮ, при котором должен работать преобразователь напряжения разность между выходными напряжениями блока 37 эталонного напряжения и делителя 40 выходного напряжения переводит дифф еренциальный усилитель 36 в режим, при KOTOpc:iM усилитель 39 мощности блока 23 запуска заперт, а усилитель 38 насыщен. При этом сигнал с выхода 26 блока 23 запуска попадает через выходные обмотки 9 коммутируюш,его трансформатора 10 на базы силовых транзисторов 6 и 7 первой преобразовательной ячейки 1. Так как сигнална выходе 27 блока 23 запуска отсутствует, с транзисторов 21 и 22 блока 15 синхронизации и 43 блока 29 выключения снимается блокирующий (насыш.енный) сигнал. Происходит запуск первой преобразовательной ячейки 1. При этом-,так как коммутирующий трансформатор 10 включен по схеме трансформатора тока, в преобразовательных ячейках 1 обеспечивается во всех режимах работы минимизация мощности, рассеиваемой в цепях управления.На обмотках силового трансформатора 8 этой ячейки появляется прямоугольное напряжение. Это напряжение с обмотки 19 синхронизации через токоограничительнь1Й цвухполюсник 20 поступает на базы транзисторов 21 и 22 блока 15 синхронизации, вызывая их переключение с частотой первой преобразовательной ячейки 1. Допустим, сигнал с обмотки 19 синхронизации насыщает транзистор 21. При этом напряжение с входных выводов 2и 3 через токостабилизирукнцие двухполюсники 1б и насыщенный транзистор 21 прикладывается к первым управляющим обмоткам 1 коммутирующих трансформаторов 10 N-1 преобразовательных ячеек. Появляющееся при этом на выходных обмотках 9 коммутирующих трансформаторов на.пряжение насыщает силовые транзисторы 7 в N-1 преобразовательных ячейках. Так как количество диодов в токозадающем двухполюснике 11 первой преобразовательной ячейке 1 больше, чем в остальных N-1 ячейках, частота ее переключения выше, чем собственные частоты осталь ных ячеек. Поэтому переключение сило вых транзисторов произойдет сначала в первой ячейке. Это вызовет смену пoляpнoctи на обмотке 19 синхронизации и переключение транзисторов 21 и 22. Насыщенный транзистор 22 через диоды 17 шунтирует вторые управляющи обмотки k в N-1 преобразовательных ячейках, что поиводит к выключению силовых транзисторов 7. После их запирания, так как к вторым управляющи обмоткам 1 коммутирующих трансформаторов 10 через токостабилизирующие двухполюсники 16 и насыщенный транзистор 22 прикладывается входное напряжение, в N-1 преобразовательных ячейках происходит насыщение силовых транзисторов 6, Далее процесс протекает аналогично, описанному выше. Выходное напряжение с выходных обмоток 13 силовых трансформаторов 8 всех преобразовательных ячеек выпрямляется, фильтруется и поступает на выходные клеммы и 5, преобразователя напряжения. С повышением температуры окружающей среды меняются параметры резонансного контура, образованного пора зитными параметрами токозадающего двухполюсника 11 и выходных обмоток 9 коммутирующего трансформатора 10, что приводит в момент переключения к преждевременному насыщению ранее запертого силового транзистора и про теконию значительных сквозных токов. Это значительно снижает надежность работы устройства. Для устра98О нения сквозных токов между соединенными вместе эмиттерами силовых транзисторов и второй входной клеммой 3 включены параллельно соединенные дроссель «6 и диод 7. Для исключения режима неустойчи1ВОЙ работы устройства при включениивыключении, и, следовательно, повышения надежности его работы между выходом усилителя 39 мощности блока 23 включения и выходом делителя tO выходного напряжения включен форсирующий двухполюсник kl. Таким образом, предлагаемый преобразователь напряжения обеспечивает как надежный запуск,так и работу устройства в широком диапазоне нагрузок и температур окружающей среды. Предлагаемый преобразователь выгодно отличается из известного более высоким КПД и надежностью работы в широком диапазоне изменения температур окружающей среды и нагрузок. При этом также обеспечивается автоматическое включение - выключение устройства, например, по уровню входного напряжения, что расширяет возможности использования устройства в системах вторичного электропитания различной радиоэлектронной аппаратуры. Формула изобретения 1, Преобразователь напряжения, содержащий N преобразовательных ячеек, в каждой из которых базы двух силовых транзисторов подключены к первым выводам выходнь1х обмоток коммутирующего трансформатора, причем вторые объединенные выводы этих обмоток через токозадающий двухполюсник подключены к первому входному выводу и связаны с объединенными эмиттерами силовых транзисторов, коллекторы которых через коллекторные обмотки коммутирующего трансформатора подключены к крайним выводам первичной обмотки силовых трансформаторов, отвод от средней точки которой подключен к второму входному выводу, а выходная обмотка через выпрямитель и фильтр связаны с выходными выводами, и блок синхронизации, включающий в себя N-1 токостабилизирующих двухполюсников и диодов, при этом коммутирующий трансформатор каждой ячейки снабжен двумя управляющими обмотками, первые выводы которых объединены и подключены

во всех ячейках, кроме первой, к первому выводу соответствующего токостабилизирующего двухполюсника блока синхронизации, отличающийс я тем, что, с целью повышения КПД и надежности путем обеспечения надежного пуска в широком диапазоне изменения температур и нагрузки, введены блоки запуска и выключения, блок синхронизации снабжен двумя транзисторами, вторые ;выводы токостабилизируюших двухполюсников подключены к второму входному выводу, а их первые выйоды через упомянутые диоды - к первому входному выводу, при этом в силовой трансформатор первой преобоазовательной ячейки введена обмотка синхронизации, которая включена последовательно с дополнительным токоограничительным двухполюсником, и

эта цепочка соединена с базами транзисторов блока синхронизации, коллекторы которых подключены к вторым выводам управляющих обмоток коммутирующих трансформаторов всех ячеек, кроме первой, причем базы транзисторов блока синхронизации подключены к первому и второму выходам блока выключения, третий и четвертый выходы которого соединены с вторыми выводами управляющих обмоток коммутирующего трансформатора первой преобразовательной ячейки, а вход - с вторым выходом блока запуска, первый выход которого подключен к точке соединения выходных обмоток коммутирующего трансформатора первой ячейки, при этом вход блока запуска подючючен к входным выводам.

2,Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что .токозадающие двухполюсники преобразовательных ячеек содерн ат параллельно включенные конденсатор и цепочку из последовательно подключенных диодов, причем количество диодов в токозадающем двухполюснике первой преобразовательной ячейки по крайней мере

на один больше, чем в остальнь1Х N-1 преобразовательных я-|ейках.

3.Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что блок запуска включает в себя дифференциальный усилитель, блок эталонного напряжения, два усилителя мощности, делитель выходного напряжения и форсирующий двухполюсник, причем дифференциальный усилитель подключен первым входом к выходу блока эталонного напряжения, вторым входом - к выходу делителя выходного напряжения, вход которого соединен с входными выводами блока запуска, первый выход дифференциального усилителя подключен через первыйусилитель мощности к первому выходу блока запуска, а его второй выход через второй усилитель мощности соединен с вторым выходом блока запуска, который через форсирующий двухполюсник подключен к второму входу дифференциального усилителя .

А. Преобразователь по п. 1, о тличающийся тем, что блок выключения включает в себя два развязывающих двухполюсника, транзистор делитель напряжения и выпрямительный мост, причем один входной вывод делителя напряжения, эмиттер транзистора и первый выход постоянного тока выпрямительного моста подключены к первому входному выводу, первые выводы развязывающих двухполюсников и второй входной вывод делителя напряжения подсоединены к входу блока выключения, вторые выводы развязывающи двухполюсников соединены соответственно с первым и вторым выходами блока выключения, база транзистора подключена к выходу делителя напряжения а коллектор - к второму выходу постоянного тока выпрямительного моста первый и второй входы переменного тока которого подсоединены к третьему и четвертому выходам блока выключ ния.

5. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что в преобразовательных ячейках соединенные вместе эмиттеры силовых транзисторов подключены к первому входному выводу через параллельно включенные дроссел и диод.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1 . Авторское свидетельство СССР ff /526CT, кл. Н 02 М 3/335, 1977.

2. Авторское свидетельство СССР tf 782079, кл. Н 02 М 3/335, 1978.