Транзисторный преобразователь постоянного напряжения

 

Изобретение относится к электротехнике , а именно к вторичным источникам электропитания. Цель изобретения - повьппение КПД путем снижения динамических потерь в силовых транзисторах . Преобразователь содержит выходной трансформатор 1 с первичной, вторичной и секциями 2,3 базовой обмотки, имеющими средние выводы,силовые транзисторы 4, 5, ограничительные резисторы 6, 7, дополнительный вьтрямитель 8, узел 9 запрета, генератор 10 тактовых импульсов, усипитель 11, две ограничительные RCD-це- ПОЧКИ.12, 13, два согласующих транзистора 20, 2h, зашунтированные обратными диодами соответственно 22, 23. Введены-два вспомогательных транзистора 25, 26, две ограничительные RD- цепочки 27, 28; RC-фильтр 29, подключенный к выходу вспомогательного выпрямителя 30, диоды которого анодами подсоединены к концам базовой обмотки; коммутирующий конденсатор 31; два развязывающих диода 32, 33; два обратных диода 34, 35 и выходной выпрямитель 36 с емкостным фильтром. 3 ил. с S (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

Ос9 Oll

А2 (sg 4 Н 02 М 7 537

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

flO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНЯТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (61) 1141545

1 (21) 4245177/24-07 (22) 15,05.87 (46) 07.02.89. Бюл. Ф 5 (72) И.И.Филиппов и А.А.Мазунов (53) 621.314.58(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

В 1141545 кл. Н 02 М 7/537, -1985. (54) ТРАНЗИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ (57) Изобретение относится к электротехнике, а именно к вторичным источ.никам электропитания. Цель изобретения — повышение КПД путем снижения динамических потерь в силовых транзисторах. Преобразователь содержит выходной трансформатор 1 с первичной, вторичной и секциями 2, 3 базовой обмотки, имеющими средние выводы,силовые транзисторы 4, 5, ограничительные резисторы 6, 7, дополнительный выпрямитель 8, узел 9 запрета, генератор 10 тактовых импульсов, усилитель 11, две ограничительные RCD-цепочки 12, 13, два согласующих транзистора 20, 21., защунтированные обратными диодами соответственно 22, 23.

Введены-два вспомогательных транзистора 25, 26, две ограничительные HDцепочки 27, 28; ВС-фильтр 29, подключенный к выходу вспомогательного выпрямителя 30, диоды которого анодами подсоединены к концам базовой обмотки; коммутирующий конденсатор 31; два развязывающих. диода 32, 33; два обратных диода 34, 35 и выходной выпрямитель 36 с емкостным фильтром.

3 ил.

1457131

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, может быть использовано в устройствах электропитания ра5 диоэлектронной аппаратуры и является усовершенствованием устройства по авт. св./ N- 1141545.

Целью изобретения является повышение КПД путем снижения динамических потерь в силовых транзисторах преобразователя.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства; на фиг. 2 н 3 диаграммы, поясняющие его работу при 15 пуске и в установившемся режиме.

Устройство содержит выходной трансформатор 1 с первичной, вторичной и базовыми 2 и 3 обмотками положительной обратной связи, подключен- 20 ными к входам силовых транзисторов

4 и 5 через резисторы 6 и 7, выпрямитель 8, включенный между базовыми обмотками 2 и 3 и одним из входов элемента 9 запрета, второй вход которого подключен к генератору 10 импульсов, а выход элемента 9 запрета подключен к входу усилителя 11, две цепочки 12 и 13, одна из которых состоит из последовательно соединенных 30 диода 14, резистора 15 и конденсатора 16, а другая — из диода 17, резистора 18 и конденсатора 19, два дополнительных транзистора 20 и 21, шунтированные диодами 22 и 23, при этом базы дополнительных транзисторов подключены к выходам генератора 10 импульсов, коллектор транзистора 20 подключен к точке соединения резистора 15 и конденсатора 16 цепочки 12, 40 а коллектор транзистора 21 — к точке соединения резистора 18 и конденсатора 19 цепочки 13, аноды диодов 14 и 17 подключены к выходу усилителя

11, а другие выводы конденсаторов 16 45 и 19 подключены к базам силовых транзисторов 4 и 5. Элемент 9 запрета содержит конденсатор 24 временной задержки, Кроме того, в устройство входят два вспомогательных транзистора

25 и 26, шунтирующие управляющие переходы силовых транзисторов 4 и 5, с резистивно-диодными цепочками 27 и

28 в базовых цепях, резисторы котоpbIx подключены к положительному вы» воду конденсатора RC-фильтра 29, отрицательный вывод этого конденсатора подключен к общему выводу базовых обмоток 2 и 3, резистор RC-фильтра 29 подключен к выходу вспомогательного выпрямителя 30, аноды диодов которого подсоединены к крайним выводам базовых обмоток 2 и 3, а к крайним выводам первичной обмотки трансформатора 1 подключены конденсатор 31 и катоды развязывающих диодов 32 и 33, аноды которых подсоединены к точкам соединения резистора и диода соответствующих резистивно-днодных цепочек 27 и 28, Силовые транзисторы шунтированы обратными диодами 34 и 35, к втоцичной обмотке трансформатора 1 подключен выходной выпрямитель 36 с емкостным фильтром и нагрузке.

Преобразователь в режиме пуска работает следующим образом.

В исходном состоянии до момента времени t, (фиг.2) все транзисторы

4, 5, 9, 11, 20, 21, 25 и 26 закрыты и конденсаторы 16, 19 » 29, 31 разряжены.

В момент времени t=t, с генератора

10 поступают импульсы U, 11 соответственно на базу транзистора узла 9 запрета и на базу согласующего транзистора 21 (фиг. 2а,б). Транзистор узла 9 открывается (фиг. 2), формируя отпирающий сигнал дпя усилителя 11, транзистор которого открывается (фиг. 2е). На базе транзистора 5 в течение действия импульса U через усилитель 11 и цепочку 12 подается положительное напряжение Е„ от источника питания. В это время управляющий переход транзистора 4 шунтируется через конденсатор 19 открытым транзистором 21 (фнг. 2и), поэтому транзистор 4 закрыт (фиг. 2к).

Транзистор 5 открывается (фиг.2м).

Транзистор 26 остается закрытым (фиг. 2н), поскольку конденсатор 29 разряжен, а диод цепочки 28 закрыт.

На правую секцию (фиг. 1) первичной обмотки трансформатора 1 подается напряжение Е„ источника, обеспечивая протекание тока по цепочке: плюс Е

tf правая секция первичной обмотки— открытый транзистор 5 — минус Е„. На обмотке 2 и 3 индуцируются напряжения (фиг. 1, полярность в скобках) и подаются через рези<;тор 7 в запирающей полярности на базу транзистора

4 и через резистор 6 в положительной полярности на базу открытого транзистора 5. Переменное напряжение обмоток 2 и 3 выпрямляется выпрямителями 8 и 30, обеспечивая подзарядку

1457! 3 конденсаторов 24 и 29 (фиг. 2д, т, t,< t tz). Конденсатор 16 также подзаряжается через элементы 14 и 15 и управляющий переход открытого транзистора 5 (фиг. 2з, сплошная линия) .

В том случае, если происходит насыщение магнитопровода трансформатора I или пЕрегрузка на выходе выпрямителя 36, то после исчезновения управляющих импульсов U„, И в момент времени t транзистор 5 закрывается и процесс преобразования срывается, В момент времени Ъ в с генератора

I0 поступают импульсы U U соответ- 15 ственно на базу транзистора узла 9 запрета и на базу согласующего транзистора 20 (фиг. -2а,б, при t=t< ) ..

Транзистор узла 9 запрета открывается (фиг. 2в, t=t< ), формируя отпирающий сигнал для усилителя 11, транзистор которого также открывается (фиг. 2е, t=t ). Ha базу транзистора

4 в течение действия импульса U че( рез усилитель ll и цепочку 13 пода- 25 ется положительное напряжение Е от источника. Транзистор 20 под воздействием импульса U также открывается (фиг, 2ж), исключая прохождение отпирающего сигнала от усилителя 11 на базу транзистора 5 и подавая запирающее напряжение с конденсатора 16 на базу транзистора 5. Конденсатор 16 частично разряжается (фиг..2з, сплошная линия, t (t t<), а конденсатор

19 подзаряжается от источника Е„через элементы 17 и 18 и управляющий переход открытого транзистора 4 (фиг, 2з, пунктирная линия). Транзистор 4 от.крывается (фиг. 2к), а транзистор 25 4О остается закрытым, поскольку величина напряжения на конденсаторе 29 недостаточна еще для отпирания диода. цепочки 27 (фиг. 2т, U — напряжение отпирания диода).

На левую секцию первичной обмотки трансформатора 1 (фиг. 1) подается напряжение F. источника; в результате и чего на первичной и базовых обмотках индуцируются ЭДС с полярностью на фиг. 1 без скобок. С обмотки 2 через резистор 6 напряжение отрицательной полярности подается на базу транзистора 5, а с обмотки 3 через резистор

7 напряжение положительной полярности 55 поступает на базу открытого транзистора 4. Транзистор 25 закрыт, поскольку напряжение на конденсаторе 29 меньше напряжения отпирания (фиг. 2т, !

4 С 8 ) диода цепочки 27 и на базу транзистора не поступает положительное напряжение. Конденсаторы 24 и 29 вновь начинают подэаряжаться через выпрямители 8 и 30 напряжением секций

2 и 3 (фиг. 2д, т, t y t ). Конденсатор !9 также подзаряжатся через элементы 17 и 18 и управляющий переход открытого транзистора 4 (фиг. 2з, пунктирная линия, t С ), а конденсатор 16 частично разряжается (фиг. 2з) через открытый транзистор 20, обеспечивая процесс рассасывания неосновных носителей из базы транзистора 5;

Характер изменения тока первичной обмотки и тока намагничивания трансформатора 1 и изменения напряжения на конденсаторе 31 при пуске преобразователя показан на фиг. 2п, р, с.

В результате последовательной подачи тактовых импульсов U U> на базы согласующих транзисторов 20 и 21 происходит поочередное переключение силовых транзисторов 4 и 5 и преобразователь переходит в режим устойчивых автоколебаний, при котором после снятия отпирающего сигнала U или U> силовые транзисторы 4 и 5 остаются открытыми до конца полупериода эа счет

ЭДС обмоток 2 и 3 положительной обратной связи. Конденсаторы 16, 19, 24 и 29 заряжаются до конечных значений напряжений, определяемых напряжением обмоток 2 и 3 трансформатора

1 (полярность по фиг. 1).

Начиная с момента времени t на" пряжение на конденсаторе 24 достигает величины, достаточной для запирания транзистора узла 9 запрета (фиг. 2д, U — напряжение запирания), который прекращает формирование отпирающего сигнала для транзистора усилителя !1. В результате этого схема запуска преобразователя отключается и в дальнейшем работают только транзисторы 20 и 21 под воздействием тактовых импульсов U<, U с генератора 10.

Напряжение на конденсаторе 29 в момент времени t> достигает величины напряжения отпирания диодов цепочек

27 и 28, в результате чего на базы транзисторов 25 и 26 подается положительное напряжение, подготавливая транзисторы к дальнейшей работе.

Работа преобразователя в установившемся режиме иллюстрируется диаграммами на фиг. Э, 5 14571

Допустим, что до момента времени

С t, (фиг.З) открыт транзистор 4.

На первичной и базовых обмотках трансформатора 1 индуцируются ЭДС с полярностью, указанной на фиг. 1 без

5 скобок. Транзистор 25 открыт (фиг.Зж, t (t ), так как диод цепочки 27 и база-.эмиттерный переход транзистора

25 шунтированы через разнязывающий диод 32 открытым транзистором 4 (фиг. 3e, t (t< ) . .Транзистор 5 также закрыт (фиг. Зэ, t < t< ) за счет того, что напряжение обмотки 2 через резистор б плюсом приложено к эмиттеру, а минусом — соответственно к базе транзистора 5. Конденсаторы 24 и 29 заряжены с указанной на фиг. 1 полярностью напряжением обмоток 2 и 3 через выпрямители 8 и 30. Конденсатор

31 заряжен напряжением первичной обмотки трансформатора 1 (фиг. 1, полярность беэ скобок, фиг. 3M, t < t< ).

Транзистор узла 9 запрета закрыт, так как напряжение конденсатора 24 25 приложено к его базе в запирающей полярности. Транзистор усилителя 11 и согласующие транзисторы 20 и 21 также закрыты (фиг. 3r, д, t t < ) . Через первичную обмотку (левая секция З0 на фиг. 1) протекает ток (фиг. Зк), равный сумме тока намагничивания (фиг. Зл) и приведенного через коэффициент трансформации тока вторичной обмотки трансформатора 1.

В момент времени t, с генератора

10 поступают тактовые импульсы U<, U соответственно на базу транзистор . ра узла 9 запрета и на базу транзистора 21 (фиг. За,б, t=t ).

Причем величина импульса U меньше величины напряжения на конденсаторе 24, поэтому транзистор узла 9 не открывается.

Под действием импульса U транзис- 45 тор 2! открывается (фиг. Зд, t=t<).

К база-эмиттерному переходу транзистора 4 прикладывается запирающее напряжение конденсатора 19. Происходит процесс рассасывания неосновных носи- 50 телей из базы транзистора 4, вследствие чего напряжение на конденсаторе 19 несколько уменьшается (фиг.Зж, t< t t ).

В момент запирания транзистора 4 (фиг. 3e) ток. первичной обмотки трансформатора 1 уменьшается до величины тока намагничивания (фиг. Зк, л, =1< ) . Поскольку оба силовых транзис31 6 тора 4 и 5 закрыты, конденсатор 31 начинает разряжаться через первичную обмотку трансформатора 1 (фиг. Зм, t=

=tz ) . В резонансно«< контуре, образованном заряженным конденсатором 31 и первичной обмоткой трансформатора 1, происходит колебательный процесс перезарядки конденсатора 31 (фиг. Зм, Ф

t< m t < t<) приблизительно по синусоидальному закону, В интервале времени

t, «ñ cС t> (фиг.Зм) конденсатор 31 передает энергию трансформатору 1, в результате чего напряжение на нем уменьшается от величины 2Е.„ до нуля, а ток намагничивания трансформатора 1 (ток конденсатора 31) изменяясь по синусоидальному закону, увеличивается и достигает амплитудного значения (фиг. Зл, í, t=t>).

В момент времени t=t2 тактовые импульсы U,, U исчезают (фиг. За, б) и транзистор 21 закрывается (фиг.Зд)< отключая запирающее напряжение конденсатора 19 от управляющего перехода транзистора 4. Транзистор 25 насыщается вследствие того, что на его базу подаетсй через цепочку 27 положительное напряжение с конденсатора

29, а через коллектор-эмиттерный переход протекает ток, ограниченный резистором 7 от обмотки 3 (фиг. Зж, т t < t ). Транзистор 4 остается закрытым „ так как его управляющий переход зашунтирован открытым транзистором 25.

Транзистор 5 в интервале времени также закрыт, так как напряженин обмотки 2 плюсом приложено к эмиттеру, а минусом — к базе транзистора 5 (фиг. Зз).

С момента времени t=t энергия, запасенная в магнитопроводе трансформатора 1, передается в конденсатор

31 и полярность напряжения на обмотках трансформатора 1 изменяется на противоположную (фиг. Зм, t + t фиг. 1, полярность в скобках). Транзистор 4 продолжает оставаться закрытым, так как напряжение на секции

3 изменило полярность и минусом приложено к его базе (фиг. 3е, 1 (t « t ). Ток намагничивания трансформатора 1 продолжает течь в том же направлении от конца к началу первичной обмотки, уменьшаясь по величине (фиг. Зл, t> +. t<). С момента времени t=t> транзистор 26 входит в насыщение (фиг. Зи), так как на его 6а 15

7 14571 зу подается через открытый диод цепочки 28 положительное напряжение конденсатора 29. Транзистор 5 продолжает оставаться закрытым, так как

его управляющий переход зашунтирован

5 открытым транзистором 26, В момент времени t=t4 перезаряд конденсатора 31 заканчивается и напряжение на нем достигает приблизительно той же величины 2Е„(фиг. l, полярность в скобках, фиг. Зм).Ток через конденсатор 31 прерывается (фиг. Зн, = 4), а ток намагничивания трансформатора 1 переключается в правую секцию (фиг. 1) первичной обмотки и замыкается по контуру . начало правой секции — источник питания — блокирующий диод 35 — конец правой секции. С момента открывания блокирующего диода 35 открывается развязывающий диод 33, обусловливая запирание транзистора 26 (фиг. Зи, t=t4), исключая шунтирование управляющего перехода транзистора 5, íà 25 базу которого подается положительное напряжение обмотки 2 (фиг. 1, полярность в скобках)..Транзистор 5 открывается (фиг. Зз, t=t ), а ток анода диода 33 протекает с этого момента 30 через открытый транзистор 5, вследствие чего диод цепочки 28 и транзис.тор 26 о стаются з акрытыми. Ток через правую секцию первичной обмотки (фиг. 1) с открытием транзистора 5

35 скачкообразно увеличивается в противоположном направлении току намагничивания и протекает по цепи: плюс источника питания F.„ — правая секция первичной обмотки — открытый транзистор 5 — минус источника питания

F.„ (фиг. Зк, t=t4 ) °

Конденсаторы 24 и 29 и конденсатор выходного выпрямителя 36 вновь подзаряжаются, восполняя энергию, израсходованную в интервале времени

t, t t<, когда оба силовых транзистора 4 и 5 были закрыты.

В момент времени t с генератора

l0 вновь поступают тактовые сигналы

Б,, U> (фиг.3a,в) соответственно на базу транзистора узла 9 запрета и на базу транзистора 20. При этом величина сигнала меньше величины напряжения на конденсаторе 24, поэтому транзистор узла 9 не открывается.

Транзистор 20 под действием сигнала

U открывается (фиг. Зг, С=С ). К управляющему переходу транзистора 5

31 8 прикладывается запирающее напряжение с конденсатора 16 и транзистор закрывается (фиг. Зз, t=t ).

Далее процесс в схеме происходит аналогично описанному.

Таким образом, из анализа процессов в преобразователе, как при пуске, так и. в квазиустановившемся режиме работы, следует, что выключение силовых транзисторов 4 и 5 при заряженном конденсаторе 31 происходит при минимальном напряжении на коллектор-эмиттерном переходе, равном падению напряжения на насьпценном транзисторе. Включение силовых транзисторов 4 и 5 происходит практически при нулевом значении коллекторного напряжения, поскольку управляющие импульсы их базы поступают только после окончания перезарядки коммутирующего конденсатора 31, напряжение на котором при пренебрежении малыми потерями в контуре первичная обмотка — конденсатор приблизительно равно величине 2Е„. Поэтому потери мощности при коммутации силовых транзисторов реэ ко уменьшаются, что обеспечивает повышение КПД и, как следствие, снижение уровня электромагнитных помех.

Формула изобретения

Транзисторный преобразователь постоянного напряжения по авт. св.

М 1141545, отличающийся тем, что с целью повьппения КПД путем снижения динамических потерь в силовых транзисторах преобразователя, в него введены два вспомогательных транзистора с резистивно-диодными цепочками в базовых цепях., вспомогательный выпрямитель на двух диодах

RC-фильтр, два развязывающих диода и конденсатор ; причем вспомогательные транзисторы шунтируют управляющие переходы силовых транзисторов, резисторы реэистивно-диодных цепочек подключены K положительному выводу конденсатора RC-фильтра, отрицательны вывод этого конденсатора подключен к общему выводу базовых обмоток, резистор RC-dmn pa подключен к выходу вспомогательного выпрямителя, анодь1 диодов которого подсоединены к крайним выводам базовых обмоток, а к крайним выводам первичной обмотки подключены конденсатор и катоды

9 1457131 1О раэвяэывающих диодов, аноды которых эистора и диода соответствующих реподсоединены к точкам соединения ре-1 эистивно-диодных цепочек. б

Og

bg

8 г д

У б п

Ж 1б(1ф

uzr

ll

К

4zs

Ь

Ь б и

l и

1457131

d

1/у г /70

А

К

° 7ф

Составитель И.Войтович

Редактор А.Ворович Техред Ч.Дидык

Корректор С. Черни

Заказ 7492/56 Тираж 645 Подписное

ВНИИПИ .о .ударственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

1!,нк зводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4