Бестрансформаторный стабилизирующий преобразователь постоянного напряжения в постоянное двуполярное

 

1. БЕСТРАНСФОРМАТОРНЫЙ СТАБИЛИЗИРУКЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ ДВУХПОЛЯРНОЕ , содержащий задающий генератор , два канала выходного напряжения , состоящих из коммутирующих транзисторов, двух накопительных и двух выходных конденсаторов, двух узлов сравнения, первые входы которых подключены соответственно к положительному и отрицательному выходным выводам, а вторые - к общему выходному выводу, отличающ и.й с я тем, что, с целью обеспечения гальванической развязки входных и выходных цепей, введены два оптронных элемента развязки и два широтно-импульсных модулятора, причем в каждом канале накопительный конденсатор через коммутирующий транзисторы первой группы подключен к разнополярным входным выводам преобразователя и через коммутирующие транзисторы второй группы - к выходному конденсатору, при этом выходные конденсаторы соединены последовательно - согласно и. точка их соединения образует общий выходной йывод преобразователя, а их вторые выводы образуют разнополярные выходные выводы, при этом выходы узлов сравнения соединены с управляющими входами широтно-импульсных модуля- , торов, выходы которых соединены с соответствующими своему каналу управляющими входами коммутирующих транзисторов второй группы, а входы синхронизации - через оптронные (Л злементы развязки - с парафазными выходами задающего генератора, которые соединены с соответствующими управляющими входами коммутирующих .транзисторов первой группы в каждом канале. 2. Преобразователь по п.1, о т личающийся тем, что, с целью обеспечения надежного пуска о: преобразователя, введены два поле вых транзистора с управляющими р-п00 00 переходами, один из которых р-типа включен между входным и выходным положительными выводами, а дру гой, ri -типа - между отрицательными выводами.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (l9) (l I) 4837 А

4(5l) Н 02 М 3/335

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУГОСУДАРСТВЕННЫЙ HOMHTET СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3620161/24-07 (22) 13.07.83 (46) 30.06.85.Бюл. Р 24 (72) Л.С;Дегтярева и Б. М.Строцкий (71) Таганрогский радиотехнический институт им. В.Л.Калмыкова (53) 62.1.314.57(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 466593, кл. Н 02 M 3/00, 1974.

Авторское свидетельство СССР

Ф 343345, кл. Н 02 M 3/335, 1971. (54) (57) 1 . БЕСТРАНСФОРМАТОРНЫЙ СТАБИЛИЗИРУ10ЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯН НОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ ДВУХПОЛЯРНОЕ, содержащий задающий генератор, два канала выходного напряжения, состоящих из коммутирующих транзисторов, двух накопительных и двух выходных конденсаторов, двух узлов сравнения, первые входы которых подключены соответственно к положительному и отрицательному выходным выводам, а вторые — к общему выходному выводу, о т л и ч а ю— щ и,й с я тем, что, с целью обеспечения гальванической развязки входиых и выходных цепей, введены два оптронных элемента развязки и два широтно-импульсных модулятора, причем в каждом канале накопительный конденсатор через коммутирующий транзисторы первой группы подключен к разнополярным входным выводам преобразователя и через коммутирующие транзисторы второй группы — к выходному конденсатору, при этом выходные конденсаторы соединены последовательно — согласно и. точка их соединения образует общий выходной вывод преобразователя, а их вторые выводы образуют .раэнополярные выходные выводы, при этом выходы узлов сравнения соединены с управляющими входами широтно-импульсных модуля-, торов, выходы которых соединены с соответствующими своему каналу управляющими входами коммутирующих транзисторов второй группы, а входы синхронизации — через оптронные элементы развязки — с парафазными выходами задающего генератора, кото.рые соединены с соответствующими управляющими входами коммутирующих транзисторов первой группы в каждом канале.

2. Преобразователь по п.l, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью обеспечения надежного пуска преобразователя, введены два полевых транзистора с управляющими р-ипереходами, один из которых р-типа включен между входным и выходным положительными выводами, а другой, и -типа — между отрицательными выводами. вателя, истоки транзистора 10 второй группы второго канала, транзистора

12 второй группы второго канала объединены с затворами полевого тран-. зистора 4 с управляющим Р -11-переходом Р -типа, и истоки полевого транзистора 7 с управляющим Р - tl -переходом И -типа подключены к второму выводу выходного конденсатора 14 первого канала и к первому выводу 15 выходного конденсатора 16 второго канала, точка объединения которых образует общий выходной вывод уст ройства, к которой так же подключены вторые входы первого и второго

20 узлов сравнения 15 и 17. Выходы генератора парофазных импульсов 1 8, состоящего из генератора 19 тактовых импульсов и. счетного триггера

20, соединены через оптронные эле25 менты развязки 21 и 22 с входами синхронизации широтно-импульсных модуляторов 23 и 24. Управляющий вход первого широтно-импульсного модулятора 23 соединен с выходом перЗ0 вого узла сравнения 15„ а .управляющий вход второго широтно-импульсного модулятора 24 соединен с выходом второго узла сравнения 17, выход первого широтно-импульсного модулятора 23 подключен к затворам транзисторов 8 и 12 второй группы первого канала, а выход второго широтно-импульсного модулятора 24 подключен к затворам транзисторов 10 и 13 второй группы второго канала.

Прямой выход генератора 1.8 парофазных импульсов 18 соединен также с затворами транзисторов 2 и 5 первой группы первого канала, а обратный выход — с затворами транзисторов 3 и 6 первой группы второго канала.

50

1 1

Изобретение относится.к преобразовательной технике и может быть использовано при разработке двухканаль .ных источников вторичного электропитания с разнополярными выходами.

Цель изобретения — обеспечение гальванической развязки. входных и выходных цепей при надежном запуске преобразователя.

На. фиг. 1 представлена функциональная схема бестрансформаторного стабилизирующего преобразователя постоянного напряжения; на фиг.2— чиаграмма, поясняющая его работу. .Положительный вывод первичного источника 1 питания подключен к истокам транзистора 2 первой группы первого канала, транзистора 3 пер-. вой группы второго канала и полевого транзистора 4 с управляемым p—

П -переходом Р -типа, а отрицательный к истокам транзистора 5 первой группы первого канала, транзистора 6, первой группы второго канала и полевого транзистора 7 с управляющим

)†h-переходом и †ти, истоки тран— зистора 2 первой группы первого канала и транзистора 8 второй группы первого канала объединены и подключены к первому выводу накопительного конденсатора 9 первого канала, истоки транзистора 3 первой группы второго канала и транзистора 10 второй ! группы второго канала объединены и подключены к первому выводу накопительного конденсатора 11 второго канала, истоки транзистора 5 первой группы второго канала и транзистора

12 второй группы второго канала объединены и подключены к второму выводу накопительного конденсатора 9 первого канала, истоки транзистора 6 первой группы второго канала, и транзистора 13 второй группы второго канала объединены и подключены к второму выводу накопительного конденсатора 11 второго канала, исток транзис тора 8 второй группы первого канала и исток полевого транзистора 4 с управляющим Р -11-переходом Р -типа подключены к первому .выводу выходного конденсатора 14 и первому"входу первого узла, сравнения 15 и образуют положительный выходной вывод преобразователя, исток транзистора 13 второй группы второго канала и исток,полевого транзистора 7 с управляющим

$-й-переходом q -типа подключены к

164837 2 второму выводу второго выходного конденсатора 16 и к первому входу второro узла сравнения 17 и образуют отрицательный выходной вывод преобраэоУстройство работает следующим образом.

Когда транзисторы 2 и 5 первой группы первого канала открыты, а транзисторы 3 и 6 первой группы второго канала, управляемые противофазным сигналом от триггера 20, закрыты, происходит заряд накопительного элемента — конденсатора 9 первоro канала. Реактивная энергия, накапливаемая конденсатором 9 при пол1164837 4

Если обозначить время отпирания ключевых транзисторов -8 и 12 первого канала для подэаряда конденсатора 14 или аналогично .время отпирания транзисторов 10 и 13 второго канала для подзаряда конденсатора 16 через то из условия подзаряда конденсатора

14, разряд которого осуществляется током нагрузки, получаем

t0 2Un С2 (4) о Тн где 2U — двойная амплитуда допуск тимой пульсации напряжения на выходной шине преобразователя;

I „ — ток нагрузки преобразователя. ном его заряде, определяется выражением Я

Ñ! (1) где Š— напряжение первичного источника 1 питания.

В противофазе управляющего сигнала триггеры 19 закрыты транзисторы

2 и 5 первого канала и открыты транзисторы 3 и 6 второго канала.

Второй накопительный элемент— конденсатор 11 аналогично осуществляет накопление реактивной энергии.

Транзисторы 8 и 12 второй группы первого канала открываются тогда, !

5 когда закрыты транзисторы 2 и 5 первой группы, а транзисторы.10 и 13 второй группы второго канала открываются тогда, когда закрыты транзисторы 3 и 6 первой группы. Синхронизация и синфазирование работой транзисторов различных групп осуществляется через элементы оптронной развязки 21 и 22. При открытых транзисторах 8 и 12 второй группы первого канала происходит перераспределение накопленных зарядов между конденсаторами 9 и !4, а при открытых транзисторах 10 и 13 — между конденсаторами 11 и 16. При этом, если при-З0 нять (Е-Uu)» 2 UH (2) где U — напряжение вторичного ис-!! точника питания;

U — напряжение насыщения поле- 35

Н вых транзисторов, то можно считать, что заряд емкости

14 происходит постоянным током, равным току насыщения ключевых транзисторов, т.е. 40

Ucz Iot C2 (3) где U — напряжение на конденсатоСЯ ре 14;

С2 . — емкость конденсатора 14;

I — ток насыщения ключевых 45 о транзисторов 8 и 12.

Время замыкания транзисторов 8 и

12 первого канала и транзисторов 10 и

13 второго канала определяется широт- 50 но-импульсными модуляторами 23 и 24 управляющие сигналы на входы которых поступают с выходов,,соответственно первого 15 и второго 17 узлов сравнения. Узлы сравнения 15 и 16 выдают 55 сигнал, пропорциональный отклонению г выходного положительного напряжения и .выходного отрицательного напряжения, Аналогично иэ условия разряда конденсатора 14 током нагрузки в момент эапирания транзисторов 8 и 12 получаем

2UäС2 — Т„Т

Р где Т вЂ” период работы устройства или период генератора 10.

Подстановкой (4) и (5) получаем

tp =Т! Тн(То 2 н)) (6)

Уравйение (6) является регулировочной характеристикой преобразователя.

Иэ него также следует, что при условии < Т необходимо выполнить условие Io o 2I

Н мах

Емкость конденсатора 14 или аналогично конденсатора 16 должна удов-. летворять условию

С2 н max (OST-2tÄ)

2" и где t — мертвое"время — промежуток

N времени между раэмыканием транзисторов 2 и 5 первой группы и замыканием транзисторов 8 и 12 второй группы и, наоборот, это время исключает возможность сквозного замыкания первичного источника на выход преобразователя„

При размыкании транзисторов 2 и 5 первой группы "мертвое" время обеспечивается задержкой на элементах оптронной развязки 21 и 22. При обратном переключении "мертвое время обеспечивается настройкой модуляторов на выполнение условия

tp щяк 4 О,ST-СМ1 ам где см t» - задержка на элементе м, оптронной развязки; задержка ограничи" м тель-элемент настрой" ки модулятора.

5 1164

Требуемую величину емкости конденсатора 9 можно определить,из условия энергетического баланса. Действительно, в процессе.перераспределения зарядов между конденсатора- 5 ми 9 и !4 справедливо уравнение

W<1 = W„+ Wñ + Ы р (8) где W — реактйвная энергия,. отдаваемая конденсатором 9 в процессе разряда; 10

W — энергия, потребляемая на" грузкой за время, замкнутого состояния транзисторов

8 и 12 второй группы;

W — реактивная энергия., накап- 15 ливаемая конденсатором 14 в процессе подзаряда;

W — .энергия рассеивания на р ключевых транзисторах 8 и

12 второй группы. 20

Используя выражения (1), (21 и (3) при допущении, что Т м t+ и Т >> й1 получаем равенства

Ъ7с "/2С1 (E — Бо ) (9) где С! — емкость конденсатора 9, Wt =2С2 U Ug (lO) (1 1)

W х — I Т(Е-U )

1 о И (l 2) 30

Используя равенства (8)- (12) и учитывая, что для максимальной нагрузки необходимо выполнить условие I =2I< получаем

Ц

Приведенные расчеты для Сl и С2 показывают, что ток нагрузки преобразователя в основном определяется током Х, т.е. качеством ключевых транзисторов; .кроме того, из (7 ) и (13) следует, что период.Т можно выбрать в принципе любым и даже, уменьшая его можно, снизить номиналы С1 и С2, однако это произошло вследствие пренебрежения, временем t > и tz . Реально с уменьшением Т возрастают от" носительные потери на t и мощность преобразователя падает.

На фиг. 2 обозначено: G — сигнал на выходе генератора 19; U (2,5)— управляющее, напряжение на затворах транзисторов 2 и 5,первой группы первого канала; 11 (3,6) - управляющее напряжение на.затворах транзисторов

837

3 и 6 первой груйпы второго канала;

iU>(8,12) — управляющее напряжение на затворах транзисторов 8 и 12 второй группы первого канала; U (10,13) управляющее напряжение на затворах транзисторов, 10 и 13 второй группы второго канала; Uqq(11) — напряжение на конденсаторе 11; U,(9) — напряжение на конденсаторе 9; Ut (14) напряжение на конденсаторе 141 Б (16) сп напряжение на конденсаторе 16.

При этом принят различный ток потребления по положительному и отрицательному выходам преобразователя. Поэтому . Соответственно и ког z лебания напряжения на емкостях 9 и 11 различные. При малом потреблении нагрузкой уровень Бо, до которого разряжается "летающая" емкость„ недалеко отстоит от уровня ее максимального заряда Е. При увеличении тока нагрузки размах колебаний напряжения на "летающем" конденсаторе увеличивается и уровень Uä приближается к своему минимальному значению (U—

И

201), на которое рассчитано устройство с насьпценным режимом работы ключевых транзисторов.

Полевые транзисторь1 4 и 7 с управляющим Р— 11 -переходом (фиг.1) облегчают возбуждение преобразователя. В первоначальный момент включения, когда напряжение на положительной и отрицательной выходах шинах равно напряжению общей выходной ши-! ны, полевые транзисторь| 4 и 7 открыты и напряжение от первичного источника 1 непосредственно поступает на выходные шины.. По мере заряда конденсаторов 14 и 16 растет напряжение на выходньгх шинах преобразователя.

Если выбрать Б, с (напряжение отсечки полевых транзисторов 4 и 7 равным минимальному рабочему напряжению узлов сравнения 15 и 17, широтно-импульсных модуляторов 23 и 24, элементов оптронной развязки 21 и 22, то еще до перекрытия транзисторов 4 и 7 начнет работатв схема преобразователя, что приведет к дальнейшему росту напряжения на выходных шинах. При превьппении напряжения на выходных шинах величины U транзисторы 4 и 7 закрываются и больше в работе не участвуют.

1164837

1!64837

G(ze)

vj(z,5 и (Щ

uq(s,rz

u (r)

<о ар(Ю) и

VcZ(rS)

Vg

Риг.с

Составитель И.Никитин

Редактор А. Гулько Техред А. Бабинец Корректор- В. Синицкая

Заказ 4!96/52 Тираж 646 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

ll3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4i5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4