Преобразователь постоянного напряжения

 

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий ключевой транзистор, диод, подключенный через ЬС-фильтр, начинающийся с дросселя, к выходным выводам, и систему управления, отличающийся тем, что, с целью увеличения КПД, повышения надежности и улучшения массогабаритных показателей, между выходом ключевого транзистора и дросселем LC-фильтра включен дополнительно введенный конденсатор, к общей точке соединения ключевого транзистора и конденсатора подключен силовой электрод дополнительно введенного второго ключевого транзистора , второй силовой электрод которого подключен к точке соединения дополнительно введенных второго диода, соединенного свободным выводом с общим выходным выводом , и второго фильтра, начинающегося с дросселя, а выходы обоих фильтров соединены параллельно. (О о со Nj: оо 4

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

4СЮ Н 02 М 3/07

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМ У СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3675060/24-07 (22) 22.12.83 (46) 23.06.85. Бюл. № 23 (72) М. Б. Позин и О. И. Липихин (53) 621.314.1 (088.8) (56) Электронная техника в автоматике.—

Сб. статей. Вып. 12 — 14. Под ред. Ю. И. Конева. М., «Радио и связь», 1981 — 1983.

Авторское свидетельство СССР № 280572, кл. Н 02 М 3/04, 1970. (54) (57) 1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий ключевой транзистор, диод, подключенный через LC-фильтр, начинающийся с дросселя, к выходным выводам, и систему управления, „SUÄÄ 1163434 A отличающийся тем, что, с целью увеличения КПД, повышения надежности и улучшения массогабаритных показателей, между выходом ключевого транзистора и дросселем LC-фильтра включен дополнительно введенный конденсатор, к общей точке соединения ключевого транзистора и конденсатора подключен силовой электрод дополнительно введенного второго ключевого транзистора, второй силовой электрод которого подключен к точке соединения дополнительно введенных второго диода, соединенного свободным выводом с общим выходным выводом, и второго фильтра, начинающегося с дросселя, а выходы обоих фильтров соединены параллельно.

1163434

1О

2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что последовательно в выходную цепь каждого ключевого транзистора включены один из дополнительно введенных дросселей.

3. Преобразователь по п. 2, отличающийся тем, что дополнительные дроссели снабжены вторичными обмотками, каждая из которых через дополнительно введенный диод подключена к выходному выводу.

1I

Изобретение относится к источникам электропитания и элементам электропривода, в частности к преобразователям постоянного напряжения.

Цель изобретения — увеличение КПД, улучшение массогабаритных показателей и повышение надежности преобразователя.

На фиг. 1 — 4 приведены принципиальные электрические схемы примеров конкретного выполнения преобразователя и его модификаций; на фиг. 5 — эпюры напряжений, иллюстрирующие работу преобразователя на фиг. 1.

Преобразователь постоянного напряжения (фиг. 1) содержит ключевой транзистор

1, диод 2 и фильтр, начинающийся с дросселя 3. Последовательно с ключевым транзистором 1 включен конденсатор 4. К точке соединения ключевого транзистора 1 и конденсатора 4 подключен коллектор второго ключевого транзистора 5, эмиттер которого подключен к точке соединения второго диода 6 и второго фильтра, начинающегося с дросселя 7. Выходы обоих фильтров соединены параллельно — общий конденсатор 8.

Система управления силовой частью преобразователя содержит задающий генератор прямоугольных импульсов двойной частоты работы преобразователя, например мультивибратор, содержащий интегральную микросхему мультивибратора 9 с навесными элементами-конденсаторами 10 и 11 и резисторами 12 и 13, определяющими длительности интервалов работы мультивибратора, к выходу мультивибратора подключен вход счетного триггера, делящего частоту мультивибратора на 2 и симметрирующего длительности .нечетного и четного интервалов работы преобразователя — выполнен, например, на интегральной микросхеме счетного триггера

14. К двум выходам счетного триггера подключены входы транзисторов 15 и 16 двухтактного ключевого усилителя мощности, содержащего трансформатор 17. К вторичным

4. Преобразователь по п. 2, отличающийся тем, что последовательно в выходную цепь каждого ключевого транзистора включен дополнительно введенный вспомогательный диод.

5. Преобразователь по п. 2, отличающийся тем, что. дополнительно введены вспомогательные диоды, каждый из которых подключен обратной полярностью параллельно одному из ключевых транзисторов.

2 обмоткам 18 и 19 трансформатора 17 подключены входы управления транзисторов 1 и 5 силовой части преобразователя. Для стабилизации выходного напряжения преобразователя при изменении входного напряжения и тока нагрузки к выходу преобразователя может быть подключена цепь обратной связи, содержащая стабилитрон 20 и усилительный транзистор 21, который через резистор

22 подключен к конденсатору одной из времязадающих цепей мультивибратора. Система управления питается либо от входного напряжения через резистор 23 и стабилитрон 24, либо от другого источника стабилизированного напряжения.

Преобразователь работает следующим образом.

При подаче входного напряжения (фиг. 5а) на выходе мультивибратора появляются прямоугольные импульсы напряжения двойной частоты (фиг. 5б), на каждом из выходов счетного триггера — импульсы одинарной частоты (фиг. 5в, г). Аналогичные импульсы (фиг. 5в, г) имеют место на выходах усилителя мощности, открывая по базе транзистор 1 в интервале Е, транзистор 5 — в интервале тр.

При появлении открывающего сигнала на базе транзистора 1 проходит ток через транзистор 1 (фиг. 5д), конденсатор 4 (фиг. 5е), дроссель 3 (фиг. 5ж) и нагрузку (фиг. 5з) (показан установившийся режим работы преобразователя, индуктивности дросселей 3 и 7 достаточно велики и токи через них в течение периода практически не меняются). Этот ток заряжает конденсатор 4 и напряжение на нем возрастает от нуля практически до входного напряжения преобразователя (фиг. 5и). Если емкость конденсатора 4 достаточна мала, то его заряд заканчивается раньше окончания интервала, (момент t ) и коллекторный ток транзистора 1 обрывается после окончания за1163434 ряда конденсатора 4 при сохранении отпирающего напряжения на базе. Поскольку обрыв коллекторного тока транзистора 1 происходит практически при нулевом коллекторном напряжении транзистора (фиг. 5к), то потери мощности в нем в течение длительности фронта запирания практически равны нулю. В интервале времени tz — t> ток дросселя 3 проходит через диод 2 (фиг. 5л) напряжение на конденсаторе 4 (фиг. 5и) равно сумме входного напряжения и напряжения на открытом диоде 2 (фиг. 5м), напряжение на транзисторе 1 (фиг. 5к) практически равно нулю.

В момент t снимается отпирающее напряжение с транзистора 1 и подается на транзистор 5. При этом ток разряда конденсатора 4 (фиг. 5е) протекает через открытый транзистор 5 (фиг. 5н), дроссель 7 фиг. 5о) и нагрузку (фиг. 5з). Знак напряжения на конденсаторе 4 в момент t> показан на фиг. 1. Этот ток разряжает конденсатор 4 практически до нуля к моменту t g и в этот момент коллекторный ток транзистора 5 обрывается, так как конденсатор 4 полностью разряжается. Транзистор 1 заперт, начиная с момента t, и ток через него не протекает. Поэтому с момента t4 ток дросселя 7 (фиг. 5о) переходит с транзистора 5 на диод 6 (фиг. 5п) . Ток через транзистор 5 прекращается практически при нулевом напряжении на нем, так как конденсатор практически полностью 30 разряжен, и потери при запирании транзистора 5 практически равны нулю. Напряжение на транзисторе 5 показано,на фиг. 5р, на диоде 6 — на фиг. 5с.

В момент ts открывается транзистор 1

/ 35 и процесс повторяется.

Таким образом, в преобразователе (фиг. 1) отсутствуют потери мощности на фронтах при выключении ключевых транзисторов и связанные с этим низкий КПД, увеличенные масса и габариты, пониженная 40 надежность. Однако в нем остаются потери мощности на фронтах при включении транзисторов 1 и 5 и запирании диодов 2 и 6.

Эти потери пренебрежимо малы при использовании в качестве диодов 2 и 6 высокочастотных диодов, например, с тонкой базой или с эффектом Шоттки, однако при использовании широко распространенных и дешевых среднечастотных диодов, например

КД 213, эти потери мощности могут быть достаточно велики. Для исключения этих потерь последовательно с ключевыми транзисторами 25 и 26 могут быть включены дроссели 27 и 28 (фиг. 2). Схема управления преобразователем на фиг. 3 — 4 не показана; она такая же, как и на фиг. 1. В этом пре образователе (фиг. 2) при открывании тран55 зисторов 25 и 26 и запирании диодов 29 и 30 отсутствуют сквозные токи и происходит плавное нарастание тока через эти дроссели до величины коллекторного тока (в течение 1 — 3 мкс). Энергия, накопленная в этих дросселях, вызывает заряд конденсатора 31 до напряжения, превышающего напряжение питания, в нечетных полупериодах и до обратного напряжения в четных. Этот перезаряд и уменьшение тока в дросселях до нуля заканчиваются до окончания полупериода, что обеспечивается малой индуктивностью дросселей 27 и 28.

Недостатком преобразователя на фиг. 2 является то, что после уменьшения тока в дросселе 27 (28) до нуля к транзистору 25 (26) прикладывается небольшое обратное напряжение. Поэтому преобразователь (фиг. 2) целесообразно использовать либо при малых токах, где обратное напряжение невелико (0,5 — 1 В), либо если вместо транзисторов 25 и 26 использованы тиристоры, которые не боятся обратного напряжения.

Для уменьшения обратного напряжения на транзисторах до 0,5 — 1 В при больших токах в дроссели 32 и ЗЗ (фиг. 3) введены вторичные обмотки 34 и 35, которые через введенные диоды 36 и 37 подключены к конденсатору фильтра 38. Отношение числа витков вторичной обмотки к первичной дросселей 32 и 33 выбрано таким образом, что при уменьшении тока первичной обмотки (коллекторного тока) происходит увеличение перезаряда конденсатора 39 до 0,5 — 1 В по сравнению с преобразователем на фиг. 1. Дальнейшее увеличение напряжения на конденсаторе невозможно, так как при напряжении 0,5 — 1 В на первичных обмотках показанной на фиг. 3 полярностью напряжения на вторичных обмотках 34 и 35 превышают напряжение на конденсаторе 38, и энергия дросселя 32 (33) через вторичную обмотку и диод переходит в конденсатор 38, дозаряжая его. Уменьшение энергии дросселя 32 (33) до нуля происходит до окончания полупериода, что обеспечивается малой индуктивностью дросселей 32 (33).

В высоковольтных преобразоватях (входное напряжение свыше 50 В) устранение обратного напряжения на транзисторах может быть осуществлено включением диодов 40 и 41 последовательно с ключевыми транзисторами 42 и 43. Прямое падение напряжения на этих диодах (0,8 — 1,6 В) практически не снижает КПД преобразователя при высоких входных напряжениях.

В низковольтных преобразователях уменьшение обратного напряжения на ключевых транзисторах до 0,7 — 1 В может быть осуществлено включением параллельно ключевым транзисторам дополнительно введенных диодов 44 и 45, обратной полярностью (фиг. 2). Однако это допустимо только в достаточно низкочастотных преобразователях (20 — 30 кГц), так как возможный коле1163434 од

Фиг.2 й

Г " 1

Вхпд

Фиг.5

Охо хоо бательный характер уменьшения тока в дросселе до нуля должен закончиться до конца полупериода. Обратные диоды параллельно ключевым транзисторам целесообразно включать также и в преобразователях (фиг. 1, 3 и 4) для исключения попадания обратного напряжения на транзисторы при переходных режимах (включение, выключение, сброс и наброс нагрузки) .

Поскольку в преобразователях (фиг. 2—

1О

4) коллекторные токи и токи силовых диодов имеют не прямоугольный, а колоколообразный характер, то резко уменьшается уровень высокочастотных электромагнитных помех от преобразователя. Это позволяет существенно уменьшить массу и габариты экранирующих конструкций и дополнительно уменьшить массу и габариты преобразователя.

Технические преимущества изобретения в сравнении с базовым объектом заключаются в том, что предложенное устройство позволяет существенно повысить КПД, уменьшить массу и габариты преобразователя;

1163434

Р б

H

О

Составитель Т. Добровольскис

Редактор А. Козориз Техред И. Верес Корректор О. Луговая

Заказ 4111 53 Тираж 646 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент», г, Ужгород, ул. Проектная, 4