Высоковольтный высокочастотный преобразователь напряжения

 

ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий формирователь импульсов, прямой выход которото соединен с первым входом первого логического элемента И, а инверсный выход соединен с первым входом второго логического элемента И, выход первого логического элемента И соединен с базой первого транзистора, а выход второго логического элемента И соединен с базой второго транзистора , эмиттеры первого и второго транзисторов соединены с первыми входами первого и второго делителя напряжения и подключены к одной из входных клемм, коллектор первого транзистора соединен с вторым входом первого делителя напряжения и началом первичной обмотки paнcфopмa opa высоковольтного преобразователя переменного напряжения в постоянное, коллектор второго транзистора соединен с вторым входом второго делителя напряжения и концом первичной обмотки трансформатора высоковольтного преобразователя переменного напряжения в постоянное, средняя точка которой соединена с другой входной клеммой, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД и уменьшения пульсаций выходного напряжения, в него введены два компаратора, два диода, дроссель с регулируемой индуктивностью, два резистора и конденсатор, причем дроссель с регулируемой индуктивностью подключен между коллекторами первого и второго транзисторов, к которым подключены соответственно аноды первого и второго диодов, катоды которых подключены к одному иа выводов первого резистора , другой вывод которого подключен к первой обкладке введенного конденсатора, к первомувыво; второго резистора и к ннвертнруюшим входам первого и второго компараторов , второй вьгаод второго резистора и вторая обкладка конденсатора подключены к эмиттерам первого и транзисторов, вьрсод первого делителя напряжения подключен СП к неинвертнруюшек у входу второго компара со тора, а выход второго делителя напряжения подключен к неюпертируюшему входу первого 00 00 4i компаратора, выходы первото и второго компараторов соединены соответственно с вторыми входами первого н второго логических Элементов И.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

РЕСПУБЛИК

4(5l) Н 02 Ы 3 335

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3681482/24 — 07 (22) 21. 10.83 (46) 30.04.85. Бюл. У 16 (72) А, М. Стрельцов (53) 621.314.57 (088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 748710, кл. Н 02 М 3/335, 1980.

2. Авторское свидетельство СССР Н 663048, кл. Н 02 М 7/537, 1979.

3. Сб, Устройства вторичных источников электропитания РЭА. М., МДНТП, общество

"Знание", 1976, с. 60 — 62, рис.1. (54) (57) ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий формирователь импульсов, прямой выход которого соединен с первым входом первого логического элемента И, а инверсный выход соединен с первым входом второго логического элемента И, выход первого логического элемента И соединен с базой первого транзистора, а выход второго логического элемента И соединен с базой второго транзистора, эмиттеры первого и второго транзисторов соединены с первыми входами первого и второго делителя напряжения и подключены к одной из входных клемм, коллектор первого транзистора соединен с вторым входом первого делителя напряжения и началом первичной обмотки трансформатора высоковольтного преобразователя переменного напряжения в постоянное, коллектор второго транзистора

„„SU„„3 153384 А соединен с вторым входом второго делителя напряжения и концом первичной обмотки трансформатора высоковольтного преобразователя переменного напряжения в постоянное, средняя точка которой соединена с другой входной клеммой,отличающийся тем, что, с целью повышения КПД и уменьшения пульсаций выходного напряжения, в него введены два компаратора, два диода, дроссель с регулируемой индуктивностью, два резистора и конденсатор, причем дроссель с регулируемой индуктнвностью подключен между коллекторами первого и второго транзисторов, к которым подключены соответственно аноды нервого и второго диодов, катоды которых подключены к одному из выводов первого резистора, другой вывод которого подключен к первой обкладке введенного конденсатора, к первому выводу второго резистора и к инвертирующим входам первого и второго компараторов, второй вывод второго резистора и вторая обкладка конденсатора подключены к эмиттерам первого и второго транзисторов, н" " выход первого делителя напряжения подключен ® к неннвертнрующему входу второго компара- фЯ тора, а выход второго делителя напряжения ф© подключен к неннвертнруюптему входу первого фр компаратора, выходы первого и второго ком- ©© параторов соединены соответственно с вторы- ф1, ми входамн первого н второго логических элементов И.

1 li

Изобретение относится к устройствам преобразования энергии постоянного тока на входе в энергию постоянного тока на выходе с промежуточным преобразованием в переменный ток с помощью статических преобразователей с использованием только полупроводниковых приборов и может найти применение

s источниках вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры.

Известен высоковольтный высокочастотный преобразователь напряжения, содержащий формирователь импульсов управления, два транзисторных ключа, высоковольтный блок преобразования переменного напряжения в постоянное и цепь форсирования разряда паразитной емкости трансформатора (3 J ..

Недостатком известного устройства является низкий КПД н высокий уровень пульсаннй выходного напряжения.

Указанный недостаток обусловлен тем, что энергия, запасенная в паразитной емкости трансформатора высоковольтного блока рассеивается в активном сопротивлении цепи форсированного разряда. Переключение транзисторных ключей происходит при напряжении на ннх, равном входному напряжению питания, что не является оптимальным с точки зрения минимизации уровня пульсаций выходного напряжения.

Известен также высокочастотный инвертор, содержащий формирователь импульсов управления, два транзисторных ключа, трансформатор, выпрямитель, фильтр, цепь поперечной емкостной компенсации и схему, обеспечивающую переключение транзисторов в фиксированные моменты времени f 2J .

Недостатком известного устройства является низкий КПД и высокий уровень пульсаций выходного напряжения. Указанный недостаток обусловлен тем, что переключение транзисторных ключей происходит при нулевом напряжении на открывающемся транзисторе, что не яв ляется оптимальным с точки зрения минимиза ции уровня пульсаций выходного напряжения, Цепь поперечной емкостной компенсации затягивает процесс перезаряда паразитной емкости трансформатора, что увеличивает длительность паузы между импульсами тока через транзисторные ключи, и, как следствие, приводит к увеличению габаритной мощности трансфор. матора и амплитуды импульсного тока через транзисторные ключи.

Наиболее близким к предлагаемому является высоковольтный высокочастотный преобразователь напряжения, содержащий формирователь импульсов, прямой выход которого соединен с первым входом первого логического элемента И, а инверсный выход соединен с первым входом второго логического элемента

53384

И, выход первого логического элемента И соединен с базой первого транзистора, а выход второго логического элемента И соединен с базой второго транзистора, эмиттеры первого и второго транзисторов соединены с первыми входами первого и второго делителя напряжения и подключены к одной из входных клемм, коллектор первого транзистора соединен с вторым входом первого делителя напряжения и началом первичной

I0 обмотки трансформатора высоковольтного преобразователя переменного напряжения в постоянное, коллектор второго транзистора соединен с вторым входом второго делителя

I5 напряжения и концом первичной обмотки трансформатора высоковольтного преобразователя переменного напряжения в постоянное, средняя тоЧка которой соединена с другой входной клеммой (3).

20 Недостатком известного устройства являе-.ся низкий КПД и высокий уровень пульсаций выходного напряжения. Это обусловлено тем, что переключение транзисторных ключей происходит при напряжении на закрывающемся транзисторе, определяемым произведением порогового напряжения логического элемента

И и коэффициента передачи делителя напряжения, уровень которого для обеспечения надежного запуска при включении должен быть

ЗО меньше входного напряжения питания, что не является оптимальным с точки зрения мини.мизации уровня пульсаций выходного напряжения. Наличие большой паузы между импульсами тока через транзисторные ключи, определяемой временем разряда паразитной емкости трансформатора, приводит к увеличению импульсного тока через транзисторные ключи, что снижает КПД устройства.

Цель изобретения — повышение КПД и уменьшение пульсаций выходного напряжения.

Укаэанная цель достигается тем, что высоковольтный высокочастотный преобразователь напряжения, содержащий формирователь импульсов, прямой выход которого соединен

45 с первым входом первого логического элемента И, а инверсный выход соединен с первым входом второго логического элемента И, выход первого логического элемента

И соединен с базой первого транзистора, а выход второго логического элемента И соединен с базой второго транзистора, эмиттеры первого и второго транзисторов соединены с первыми входами первого и второго делителя напряжения н подключены к одной иэ входных клемм, коллектор первого транзистора соединен с вторым входом первого делителя напряжения и началом первичной обмотки трансформатора высоковольтного преобразователя переменного напряжеияя в!!53384 постоянное, коллектор второго транзистора соединен с вторым входом второго делителя напряжения и концом первичной обмотки трансформатора высоковольтного преобразователя переменного напряжения в постоянное, средняя точка которой соединена с другой входной клеммой, введены два компаратора, два диода, дроссель с регулируемой индуктивностью, два резистора и конденсатор, причем, дроссель с регулируемой индуктивностью под- 1О ключен между коллекторами первого и второго транзисторов, к которым подключены соответственно аноды первого и второго диодов, катоды которых подключены к одному иэ выводов первого резистора, другой вывод которого подключен к и рвой обкладке введенного конденсатора, к первому выводу второго резистора и к инвертнрующим входам первого и второго компараторов, второй вывод второго резистора н вторая .обкладка конденсатора подключены к эмиттерам первого и второго транзисторов, выход первого делителя напряжения подключен к неинвертирующему входу второго компаратора, а выход второго делителя напряжения подключен к 5 к неинвертирующему входу первого компаратора, выходы первого и второго компараторов еоединены соответственно с вторыми входами первого и второго логических элементов И.

Иа фиг. 1 приведена структурная схема высоковольтного высокочастотного преобразователя напряжения; на фиг. 2 — одна из возможных схемотехнических реализаций высоковольтного преобразователя переменного напряжения в постоянное; иа фиг. 3 — диаграммы напряжения и тока в разных точках высо-З5 коволь |ного высокочастотного преобразователя напряжения.

Высоковольтный высокочастотный преобразователь нанряжения содержит формирователь 1 импульсов, первый логический элемент И 2, второй логический элемент И 3, первый транзистор 4, второй транзистор. 5, первый делитель 6 напряжения, второй делитель 7 напряжения, BbIGOKOBOBbTHBIN.преобразователь 8 переменного напряжения в постоянное, первый 4 компаратор 9, второй компаратор 10, дроссель 11 с регулируемой индуктивностью, первый диод 12, второй диод 13, первый резистор 14, конденсатор 15, второй резистор lб, повышающий трансформатор 17, выпрямитель

18, емкостной фильтр 19.

Высоковольтный высокочастотный преобразователь напряжения, приведенный на фиг. 1, содержит формирователь 1 импульсов, прямой выход которого соединен с первым 55 входом первого логического элемента И 2, а инверсный выход соединен с первым входом второго логического эйемента И 3. Выход первого логического элемента И 2 соединен с базой первого транзистора 4. а выход второго логического элемента И 3 соединен с базой второго транзистора 5. Эмиттеры первого 4 и второго 5 транзисторов соединены с первыми входами первого 6 и второго 7 делителей напряжения и подключены к одной из входных клемм. Коллектор первого транзистора

4 соединен с вторым входом первого делителя 6 напряжения, с анодом первого диода 12 и началом первичной обмотки трансформатора высоковольтного преобразователя 8 переменного напряжения в постоянное. Коллектор второго транзистора 5 соединен с вторым входом второго делителя 7 напряжения, с анодом второго диода 13 и концом первичной обмотки трансформатора высоковольтного преобразователя 8 переменного напряжения в постоянное.

Средняя точка первичной обмотки трансформаТора соединена с другой входной клеммой.

Дроссель 11 с регулируемой индуктивностью включен между коллекторами первого 4 и второго 5 транзисторов. Катоды первого 12 и второго 13 диодов подключены к одному из выводов первого резисторов 14, другой вывод которого подключен к первой обкладке емкости 15, к первому выводу второго резистора 16 и к инвсртирующим входам первого

9 и второго 10 компараторов. Второй вывод второго резистора 16 и вторая обкладка емкости

15 подключены к эмиттерам первого 4 и второго 5 транзисторов. Выход первого делителя 6 напряжения подключен к неинвертирующему входу второго компаратора 10, а выход второго делителя 7 напряжения подключен к неинвертирующему входу первого компаратора 9. Выходы первого 9 и второго 10 компараторов соединены соответственно с вторыми входами первого 2 и второго 3 логического элемента И.

Высоковольтный преобразователь переменного напряжения в постоянное содержит цовышающий трансформатор 17, выходная обмотка которого подключена к входу мостового выпрямителя 18. Выход мостового выпрямителя

18 подключен к емкостному фильтру 19 и . клеммам для подключения нагрузки. Формирователь импульсов обеспечивает на своих выходах два парафаэных сигнала прямоугольной формы со. скважностью "2" (днаграммы 20 и

21). На выходе первого логического элемента

И формируются импульсы управлении первым транзистором (диаграмма 22). Причем момент запирания транзистора совпадает с фронтом импульса формирователя импульсов, а момент отпирания транзистора задержан отпос|ттельио фронта импульсов формирователя импульсов. Эпюра напряжения на первом транзисторе приведена на диаграмме 23. Диаграммы 22 и 23 приво1153384 дятся без учета времени рассасывания транзис-, торов и времени восстановления выходных диодов, так как это не влияет на характер протекающих процессов. На втором логическом элементе И и на втором транзисторе эпюры напряжения имеют аналогичную форму, но сдвинуты на 180 относительно диаграмм 22 и 23.

Отпирание первого транзистора происходит при наличии уровня логической единицы на 10 выходе первого логического элемента И, который появляется при наличии двух логических единиц на входе. Уровень логической единицы на выходе компаратора появляется, если сигнал на неинвертируюшем входе превышает сигнал 15 иа инвертирующем входе. Эпюры напряжений на входе первого компаратора приведены на диаграмме 24. На инвертирующий вход обоих компараторов подается пороговое напряжение через делитель напряжения на нервом зо и втором резисторе, фильтрующую емкость и двухтактный выпрямитель на первом и втором диоде, которое пропорционально двойной величине входного напряжения. На неинвертирующий вход первого компаратора подается через второй делитель напряжения измеряемое напряжение с коллектора второго транзистора, а на неинвертируюший вход второго компаратора подается через первый делитель напряжения измеряемое напряжение с коллектора первого транзистора. Таким образом момент переключения компараторов, определяется характером процессов на коллекторах транзисторов конвертора.

Рассмотрим эпюру напряжения на коллекторе5 первого транзистора, приведенную на диаграм. ме 23. На интервале времени т — т„первый транзистор открыт и находится в состоянии насыщения. В момент времени т„первый транзистор запирается и ток в нем спадает до нуля (диаграмма 25). В этот же момент времени запираются диоды выходного выпрямителя и отключают нагрузку и выходную емкость от вторичной обмотки трансформатора. Выходной высоковольтный трансформа- 45 тор характеризуется большой величиной емкости вторичной обмотки, приведенной к первичной обмотке. Поэтому на интервале времени t„— t > происходит переэаряд емкости вторичной обмотки трансформатора его током 50 холостого хода. В момент времени tz емкость вторичной обмотки разряжается до нуля. На интервале времени т — t> напряжение на емкости вторичной обмотки начинает увеличиваться, изменив- полярность, 55 за счет энергии, запасенной в индуктивности намагничивания трансформатора. На этапе времени t< — t3 напряжение на первом транзисторе связано с напряжением на емкое ти вторичной обмотки трансформатора соотношением а напряжение на втором трайзисторе

U t/ „+ в„, где К вЂ” коэффициент трансформации трансформатора;

0 — напряжение на емкости вторичной1 обмотки трансформатора.

В момент времени t напряжения на . входах второго компаратора сравниваются, компаратор переключается и открывается второй транзистор. На интервале времени t—

t4 напряжение на первом транзисторе увели-" чивается до величины двойного входного напряжения. На этом этапе происходит заряд емкости вторичной обмотки трансформатора, которая отключена от нагрузки выходым выпрямителем, так как имеет меньшее напряжение, чем емкость выходного фильтра. На интервале времени т — t через второй транзистор протекает только ток заряда емкости вторичной обмотки трансформатора. (2) Учитывая, что ток в индуктивности не может измениться скачком, величина тока через индуктивность рассеивания вторичной обмотки в момент времени t является начальным условием для интервала когда открыт второй транзистор и энергия от первичного источника передается в нагрузку. Форма тока через второй транзистор на этапе т -t определяется соотношением индуктивности рассеивания вторичной обмотки трансформатора, сопротивлением нагрузки и начальными условиями в момент времени

На интервале времени t — тьпроцессы аналогичны интервалу времени t t . И да.лее все этапы работы повторяются., Рассмотрим условия оптимального выбора режима переключения транзисторов преобразователя с целью повышения КПД и уменьшения уровня выходных пульсаций. С целью повышения КП3 преобразователя напряжения необходимо ограничить импульсный ток заряда емкости вторичной обмотки трансформатора, уменьшить время перезаряда емкости вторичной обмотки трансформатора.

Ограниченке импульсного тока заряда емкости вторичной обмотки трансформатора в соответствии с приведенным соотношением может быть получено, если в момент времени напряжение на закрывающемся транзисторе будет близко к двойному входному напряжению. Переэаряд емкости вторичной обмотки трансформатора состоит иэ двух этапов.

1153384

Обычно в трансформаторе индуктивность намагничивания много больше индуктивности рассеивания, поэтому интервал времени т — т, много меныпе ыпервала времени т — t z и им можно пренебречь.

Уменьшение времени перезаряда емкости вторичной обмотки трансформатора может быть получено нри уменьшении индуктивности намагничивания и увеличении значения тока в индуктивности намагничивания в момент времени t С этой целью в предлагаемой схеме введен дроссель с регулируемой индуктивностью, который позволяет регулировать время церезаряда емкости вторичной обмотки трансформатора.

Для уменьшения пульсаций выходного нанряжения при постоянстве емкости выходного конденсатора С „„и Т вЂ” перехода частоты выпрямленного напряжения необходимо уменьшать среднюю величину тока через выходную емкость. Мгновенное значение тока через выходную емкость описывается соотношением с Ктр н (м ар)1 Кт

Так как величина тока нагрузки i ïîñòîянна в течение периода, то для того, .чтобы величина тока через выходную емкость имела минимальное значение необходимо, чтобы переменная составляющая тока через транзистор i и суммарный ток намагничивания трансформатора i „, и ток дросселя

i совпадали по форме и амплитуде. На диаграмме 25 приведена оптимальная форма тока через транзисторы конвертора, а на диаграмме .2б приведена форма суммарного тока намагничивания трансформатора и тока дросселя.

На практике установлено, что оптимальная форма тока через транзисторы конвертора, позволяющая . получить максимальное значение КПД при минимальном уровне пульсаций получается, если включение транзистора. происхошп при напряжении rra ием (0,2—

0,8) 0 „, a длительность паузы в токе составляет 5 — 15% от длительности периода. Нри1 чем большая величина паузы в токе и наименьшая величина напряжения на транзисторе при его включении соответствует трансформатору с большим коэффициентом тран. сформации.

Для того, чтобы включение транзистора происходило при напряжении на нем (0,2—

0,8) Usx необходимо, чтобы пороговое напряжение на входе компаратора было пропорционально (1,2-1,8) UI„. В.то же время для обеспечения запуска конвертора необходимо, чтобы в первый момент времени напряжение на входе компаратора было нропорционально напряжению, меньшему U „.

С этой целью пороговое напряжение на входе компаратора формируется с помощью двухполупериодного выпрямителя на цервом и втором диодах, подключенных к коллекторам транзисторов. В первый момент времени при включении оба транзистора закрыты к напряжение на них равно 0а„, поэтому нороговое напряжение на входе компаратора пропорционально (0,6 — 0,9) U Ä. После выхода транзисторов в номинальный режим переключения напряжения на закрытом транзисторе будет равно 2 U „. Поэтому пороговое напряжение на входе комц возрастает до величины пропорциональной (1,2 — 1,8) U®, Таким образом предлагаемый высоковольтный высокочастотный преобразователь напряжения обладает новой качественной характеристикой — возможностью работы при напряжении на включаемом транзисторе равном

0,2-0,8 от величины входного напряжения в широком диапазоне его изменения. Новая качественная характеристика позволила получить оптимальную форму тока через транзисторы преобразователя напряжения, при которой повышается КПД и уменьшаются пульсации выходного иацряжеиия за счет уменьшения амплитуды зарядного тока через выходную емкость..

1153384

6 444

Составитель Н. Цишевскал

Техред Ж.Кастелевич Корректор С. Шекмар

Редактор А, Авраменко

Заказ 25 17I43. Тираж 64б

ВНИИПИ Государственного комитета СССР но делам. изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушскаи наб., д. 45

Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектнаи, 4