Однотактный преобразователь постоянного напряжения
ОДНОТАКТННЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий связанный с формирователем управляющего сигнала силовой транзистор, 1тэансформатор с первичной, вторичной обмотками и обмоТкой возврата. Диод, вспомогательную ftCD -Цепочку изменяйхцую траекторию рабочей точки силового транзистора, вьшрймитель и Выходной диодно-индуктивно-емкостной фильтр, причем первичная обмотка и обмотка возврата трансфорь1атора подключены к первачу входному выводу преобразователя разноименными концами , другой конец первичной обйотКи трансформатора соединен с вторым входным выводом преобразователя через силовой транзистор другой конец обмотки возврата Соединен с вторьм входнь2м вьюодом преобразователя через ДИ6Д, а вторичная обмотка трансфорнАтора через вьшрямйтель и выходной диодно-инду1стивно-емкостной фильтр подключена к вьЬсодным выводам преобразователя, отличающийс It тем, что, с целью повышения КПД и надежности преобразователя путем уменьшейия динамических потерь в силовом транзисторе, вспомогательная J5CD-цепочка подкйючейа меаду точкой соединения первичной обмотки трансформатора с силовым транзистором и точкой соединения обмотки возврата с диодом. :п ;о ;о :с
СОЮЗ СОВЕТСНИХ
О,ИЧЭО
РЕСПУБЛИК ае св зщ> Н Ог М З/З35
ЯРА f -pfQ l3,.",. :, „13 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ . Н kBlDPCNOMV СаиДаТвъсТви ГССМДИСтВКННЫй НОМИтат ССС В В и (21) 3597777/24-07 (22) 1!.04 .83 (46) 30.07.84. Бюл. В 28 (72) С.Д. Рудык, В.Е. Турчанинов, А.А. Остапенко и Е.В. Кравец (71) Винницкий завод радиотехнической аппаратуры (53) 621.314.58 (088.8) (56) t. Электронная техника в автоматике. Сб. статей. Под ред. В.Hi Конева. Выл. 9, 1977, с. t48, рис, fa, 2. "Электроника". Т. 51, 1978, Ф 3, с. 51, рис. 2. (54) (57) ОДНОТАКТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий связанный с формирователем управляющего сигнала силовой транзистор, трансформатор с первичной, вторичной обмотками и обмоткой возврата, диод, вспомогательную СВ -Цепочку, изменяющую траекторию рабочей точки силового транзистора, выпрямитель и выходной диодно«индуктивно-емкостной I фильтр, причем первичная обмотка и обмотка возврата трансформатора подключены к первому входному выводу преобразователя разноименными конца" ми, другой конец первичной обмотки трансформатора соединен е вторым входным выводом преобразователя через силовой транзистор другой конец обмотки возврата соединен с вторым входным выводом преобразователя через диод, а вторичная обмотка трансформйтора через выпрямнтель И выходной диодно-индуктнвно-емкостной фильтр подключена к выходным выводам преобразователя, о т л и Ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения КПД Я и надежности преобразователя путем уменьшеиия динамических пбтерь в силовом транзисторе, вспомогателЬная /CD-цепочка подключейа между точкой соединения первичной обмотки транс- Q форматора с силовым транзистором и точкой соединения обмотки возврата с диодом. 1I 11O5 Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в .источниках электропитания различной аппаратуры. Известны однотактные преобразователи постоянного напряжения, содержащие силовые транзисторные ключи, трансформатор с дополнительной обмоткой возврата, выпрямитель и выходной диодно-индуктивно-емкостной 10 фильтр (1 1, Недос тат ками э тих пр ео бра з сват елей являются пониженные КПД, надежность и удельная мощность, обусловленные большими потерями в силовых транзисторных ключах, выделяемых при переключении и неблагоприятной формой траектории переключения силовых транзисторных ключей. Наиболее близким к предлагаемому 2п является однотактный преобразователь постоянного напряжения, содержащий связанный с формировател м управляющего сигнала силовой транзистор, трансформатор с первичной, вторичной обмотками и обмоткой возврата, диод, вспомогательную 102 -цепочку, изменяющую траекторию рабочей точки силового транзистора, выпрямитель и выходной диодно-индуктивно-емкостной фильтр, причем первичная обмотка и обмотка возврата трансформатора подключены к первому входному выводу преобразователя разноименными концами другой конец первичной обмотки трансформатора соединен с вторым 35 входиым выводом преобразователя черpз силовой транзистор, другой конец обмотки возврата соединен с вторым входным выводом преобразователя через диод, а вторичная обмотка трансформатора через выпрямитель и выходной диодно-индуктивно-емкостной фильтр подключена к выходным выводам преобразователя l 2 ). Данный преобразователь характеризуется недостаточно высоким КПД и малой надежностью, что обусловлено большими динамически и потерями в силовом транзисторе преобразователя, 5Î выделяемыми в моменты его включения, а также импульсньпи перенапряжения" ми на силовом транзисторе при его выключениях. Большие динамические потери при включении силового тран.зистора вызваны большими по амплиту55 де импульсами тока коллектора при его выключениях, обусловленными разрядом конденсатора вспомогатель993 1 ной %CD -цепочки, а импульсные перека: ряжения на силовом транзисторе при его выключениях обусловл . ы ЗДС самоиндукции индуктивности рассеяния первичной обмотки трансформатора преобразователя. Целью изобретения является повышение КПД и надежности преобразователя путем уменьшения динамических потерь в силовом транзисторе. Цель достигается тем, что в однотактном преобразователе постоянного напряжения, содержащем связанный с формирователем управляющего сигнала силовой транзистор, трансформатор с первичной, вторичной обмотками и обмоткой возврата; диод, вспомогательную 1 СЭ -цепочку, изменяющую траекторию рабочей точки силового транзистора, выпрямитель и выходной диодно-индуктивно-емкостной фильтр, причем первичная обмотка и обмотка возврата трансформатора подключены к первому входному выводу преобразователя разноименными концами, другой конец первичной обмотки трансформатора соединен через силовой транзистор с вторьп4 входным выводом преобразователя, другой ко;."à.ö обмотки возврата соединен с вторым входным выводом преобразователя через диод, а вторичная обмотка трансформатора через выпрямитель и выходной диодно-индуктивно-емкостной фильтр подключена к выходным выводам преобразователя, вспомогательная 1 СЗ -цепочка, подключена между точкой соединения первичной обмотки трансформатора с силовым транзистором и точкой соединения обмотки возврата с диодом. На фиг.1 показана принципиальная схема предлагаемого преобразователя, на фиг,2 — временные диаграммы, поясняюшие его работу. Однотактный преобразователь постоянного напряжения (фиг.i) содержит формирователь управляющего сигнала 1, связанный с силовым транзистором 2, трансформатор 3 с первичной обмоткой 4, вторичной обмоткой 5 и обмоткой возврата 6. Кроме того, предлагаемый преобразователь содержит диод 7 и вспомогательную PCQ -цепочку, изменяющую траекторию рабочей точки силового транзистора, которая состоит из резистора 8, конденсатора 9, диода 10. Вторичная обмотка 5 трансформатора 3 через выпрямитель 11 и 105993 4 3 1 выходной диодно-индуктивно-емкостной фильтр 12-14 подключена к выходньм выводам преобразователя. Причем первичная обмотка 4 и обмотка возврата 6 трансформатора 3 подключены к первому входному выводу преобразователя разноименными концами, другой конец первичной обмотки 4 связан с вторым входным выводом преобразователя через силовой транзистор 2, другой конец обмотки возврата связан с вторым входным выводом преобразователя через диод 7, а вспомогательная QCD -цепочка 8-10 подключена между точкой соединения первичной обмотки 4 трансформатора 3 с силовым транзистором 2 и точкой соединения обмотки возврата 6 с диодом 7. Входные выводы предлагаемого однотактного преобразователя подключены к источнику питания с напряжением E num Индуктивности рассеяния первичной обмотки трансформатора и обмотки возврата условно показаны на фиг.1 в виде отдельных элементов 15 и 16 соответственно. Однотактный преобразователь постоянного напряжения работает следую. щим образом, Предположим, что выпрямительный диод 11 и рекуперационный диод 12 выходного диодноиндуктивно-емкостного фильтра обладают бесконечно мальм временем переключения, обмотки 4 и 6 трансформатора 3 имеют равное число витков, а силовой транзистор 2 имеет бесконечно малое время рассасывания. При подаче на базу силового транзистора 2, открывающего сигнал с формирователя управляющего сигнала 1 (момент времени на фиг.2), силовой транзистор 2 открывается, начинает проводить выпрямительный диод li и энергия с вторичной обмотки 5 трансформатора 3 поступает на выходной диодно-индуктивно-емкостной фильтр 12-14 и выходные выводы преобразователя. VpoMe этого, при открывании силового транзистора 2 начинает проте" кать ток заряда конденсатора 9, вспомогательный -0 .-цепочки 8-10, который замыкается по цени: обмотка 6 трансформатора 3 — индуктивность рассеяния 16-9-8-3-"- Е, 1iunl фз ев + Š— обмотка 6 трансформатора 3 . В течение открытого состояния силовог о транзистора 2, интервал в р е но ни (1= q - 2 > и а фн г . ", ко нд е н5 55 сатор 9 заряжается до напряжения, равного 2Knp+ В определенный момент времени заканчивается действие открывающего сигнала. На интервале времени (Q-4q) силовой транзистор 2 выключается, при этом ток его коллектора спадает до нуля. Одновременно с этим, начиная с момента времени 2, начинается процесс перезаряда конденсатора 9, вспомогательной 1С) -цепочки 8-10, который идет по цепи: индуктивность рассеяния 15-10-9 — индуктивность рассеяния 16 — обмотка 6 — обмотка 4 — индуктивность рассеяния 15. При этом на интервале времени (4Z.-4) происходит перераспределение тока (между силовым транзистором и конденсатором 9 таким образом, что суммарный ток нагрузки преобразователя остается неизменным. В момент времени t напряжение на коллекторе силового транзистора достигает величины Е> а напряжение на конденсаторе 9 перезаряжается до нуля . При этом выпрямительный диод 11 выключается и нагрузка отключается от преобразователя. Начиная с момента времени 1 процесс перезаряда конденсатора 9 вспомогательной RCb -цепочки продолжается за счет энергии, накопленной в индуктивностях рассеяни„ 15 и 16. В момент времени + напряжения на конденсаторе 9 перезаряжается до значения +2Еп„ю и диод 7 открывается. Длительность интервала времени (+y-ta) зависит от соотношения между величинами индуктивностей рассеяния 15, 16 и емкости конденсатора 9. Индуктивности намагничивания трансформатора 3 (индуктивности обмоток 4 и 6) в формировании фронтов напряжения на обмотках трансформатора участия не принимают. При этом, чем больше величина индуктивности рассеяния 15 и 16, тем более продолжителен по времени интервал (4g- В известном техническом решении — - Г 21 величина интервала времени 5 (- „), зависящая от соотношения между величиной индуктивности рассеяния только первичной Обмотки тряйсформятора и величиной емкости конденсатора вспомогательной -це- 1О почки значительно меньше, чем в предлагаемом. При этом более резко возрастает напряжение, что СООтВЕтСтВУЕт ВттнчЮЕН Ю ЭТОГО ДИОДа HG импульс Оол::ыО ".(:тоха. П ., . е ие напряжения ка диоде, подключенном к обмотке возврата трансформатора „в момент его включения значительно превышает установившееся значение напряжения на открытом диоде. Таким щ образом, в момент включения диода, подключенного к обмотке возврата трансформатора, .в известкам техническом решении напряжение на коллекторе силового транзистора фиксиру- 25 ется ня уровне, значительно превышающего величину 1Е + U . Ня интервале времени ц - тз 1 открыт диод 7 и энергия, накопленная в индуктивНОс т И НЯИЯ г БИЧИ В ЯНИН трЯНсформа l OpG 30 3, возвращается в источник питания преобразователя. Ня этом интервале времени ток замыкается по цепи: обмотка б трансформатора 3 — индуктивность рассеяния 16 — 7-"-Едцш -"+" Е и - обмотка трансформатора 3. В момент времени - вся энергия, накопленная B икдуктивности кямягничивания трансформатора 3 возвращается в Р 4О источни! нитян!:=я предлягяемОГО одкотакткого преобразователя, и диод 7 зaêðûâàåòñÿ. Ня интервале времени Я --t ) напряжение на конденсаторе 9 вспомогательной pQ9-цепочки падает до нуля. При этом ток разряда конденсатора 9 течет по цепи: 9-8 — индуктивность рассеякия 15 -- индукiEBHccTb рассеяния 16 — 9. В момент времени ток разряда конденсатора становится 59 равным нулю, а напряжение ня сило— вом транзисторе стяковится равньм ЕП „ ., В момект времени tq НЯ базу силового транэисторЯ 2 подается Открывающий сигнал с. формироватеЯ ля управляющего сигналя, тракзистор " Открыняется, начинает ПРОНОтЦК". Т. НЬ.ПРЯМКТРЛЬНЫИ ДКСД и энергия с вторичной обмотки 5 трансформатора 3 поступает на выходкой диодно-индуктивно-емкосткой фильтр 12-14 и выходные выводы однотактного преобразователя. Одновременно с этим начинается процесс заряда конденсатора 9 вспомогательной:РСЭ -цепочки, который идет по цепи: обмотка 6 трансформатора 3 - индуктивность рассеяния 16-98 2 Eq — "+" Е(дш — Обмотка 6 трансформатора 3. При этом форма тока заряда конденсатора на интервале времени (- - Ья) определяется величиной емкости конденсатора 9, величиной сопротивления резистора 9 и величиной индуктивности рассеяния 16 . Индуктивность намагничивания обмотки 6 трансформатора 3 не участвует в формировании тока заряда конденсатора 9 на интервале времене (Е-$< 1 В момент еремеем Q тон заряда конденсатора достигает своего максимума и начинает сйадать, В момент времени конденсатор 9 вспомогательной 1СЭ -цепочки заряжается д напряжения, равного - 2 Е 1щ В момент времени tq заканчивается действие открывающего сигнала, силовой транзистор 2 начинает выключаться, ток его коллектора начинает спадатЬ и все процессы в предлагаемом однотактном преобразователе повторяются, Таким образом, напряжение на конденсаторе RQQ -цепочки в известном техническом решении однополярио и изменяется от нуля до +2 Епав В предлагаемом же техническом решении напряжение на конденсаторе рд -цепочки разкополлрное и изменяется от Ецио д.о + 2 Епоа Предлагаемый однотактный преобразователь найряжения относительно прототипа имеет более высокую надежность. Это объясняется тем, что отпирание силового транзистора в прототипе возникают большие ло величине импульсы коллекторного тока, вызванные разрядом конденсатора вспомогательной 1 Со -цепочки, изменяющей траекторию рабочей точки силового транзистора. Максимальная амплитуда импульсов коллекторного тока силового транзистора, вызванных разрядом упомянутого конденсатора, определяется только величиной сопротивления резистора вспомогатель. 11059 25 предлагаемы преобразователь имеет более высокий КГЩ. Это объясняI 7 ной --.С -цепочки. В предлагаемом техничес:,ом решении амплитуда импульсов коллекторного тока силового транзистора, вызванных зарядом конденсатора вспомогательной РСЭ -це- 5 почки, значительно меньше, так как определена не только величиной сопротивления резистора вспомогательной RCQ -цепочки, но и величиной индуктивности рассеяния обмотки 16 возврата трансформатора . Кроме того, более высокая надежность предлагаемого однотактного преобразователя постоянного напряжения обья.;::.. е гся т- ;, чт:=;— - *. ==-û:;ïà-чении диода, подключенного к обмотке возврата трансформатора преоора зователя, он работает в режиме включения на импульс "малого" тока, при этом падение напряжения на диоде 20 не превьппает величины установившегося значения напряжения на открытом диоде, а напряжение на коллекторе силового транзистора фиксируется на уровне, не превьппающем значения 2 Eää + U . В .известном же техническом решении при закрывании силового транзистора более резко возрастает напряжение на диоде, подключенном к обмотке возврата трансформато- 30 ра и при включении этот диод испытывает режим включения на импульс "боль moro" тока. При этом падение напряжения на диоде. подключенном к обмотке возврата трансформатора,значитель- З5 но превышает установившееся значение напряжения на открытом диоде, а напряжение на коллекторе силового транзистора значительно превышает величину 1 Еп ш + Uq. Таким образом 40 в предлагаемом ".ехническом решении повьппается надежность за счет уменьшения максимального значения напряжения на коллекторе силового :",.:анзистора преобразователя. 45 93 ется тем, что при включении силового транзистора напряжение между его коллектором и эмиттером устанавливается на уровне, соответствующем напряжению насыщения> транзистора, по истечении времени равного времени накопления зарядов в области базы силового транзистора. В момент времени, соответствукиций подаче на базу силового транзистора отпирающего сигнала, напряжение между его коллектором и эмиттером во много раз превышает установившееся значение напряжения насьпцения. Нрн этом 8 ппро-отипе в момент включения сиповог- транзистора вьще. ляется зна:.лтельная импульсная мощность, так как коллекторный ток силового транзистора в момент его открывания имеет выброс значительной амплитуды, обусловленный разрядом конденсатора вспомогательной ДС -цепочки, изменяющей траекторию рабочей точки силового транзистора. В предлагаемом однотактном преобразователе постоянного напряжения ток заряда конденсатора вспомогательной QC35 -цепочки нарастает медленно и дости".àåò своего максимума значительно позже момента включения силового транзистора. Это связано с тем, что в контур тока заряда конденсатора вспомогательной QC9 -цепс- ки входит в индуктивность рассеяния обмотки возврата трансформатора преобразователя, чт о объясняет значительно меньшую импульсную мощность, рассеиваемую в силовом транзисторе в момент его включения. Кроме того, отсутствие импульсной перегрузки по току силового транзистора, в момент его включения, позволяет применять в предлагаемом однотактном преобразователе постоянного напряжения в постоянные более простые схемы формирования управляющего сигнала силового транзистора. 1105993 Фиг. f. 1105993 Составитель В. Моин Техред М.Тепер Корректор В. Синицкая Редактор А. Гулько За ка з 56 1 2/44 Тираж 667 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная,4
