Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения

 

Изобретение относится к электротехнике и может найти применение при создании вторичных источников питания радиоэлектронной аппаратуры. Цель изобретения - повышение КПД и надежности стабилизированного преобразователя. В стабилизированный преобразователь, содержащий силовую часть 1, ключевой транзистор 2, резисторы 2 и 3, диод 5, дроссель 6 и блок управления 7 с транзистором 10 и трансформатором 11, введены дополнительный транзистор 12, широтно-импульсный модулятор 13, делитель напряжения 14, пороговый элемент 15, одновибратор 16. За счет исключения база-коллекторной связи и формирования выключающего импульса тока ключевого транзистора заданной длительности через первичную обмотку трансформатора блока управления улучшается динамика переключения и обеспечивается повышение надежности при общем упрощении схемы транзисторного ключа, расширение диапазона рабочих напряжений . 2 ил.

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)ю Н 02 М 3/335

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Ю 4 (21) 4835035/07 (22) 04.06.90 (46) 23.03.92. Бюл, ЬЬ 11 (71) Нижегородский научно-исследовательский институт радиосвязи (72) С.Ю. Панфилов и И.B. Полетаев (53) 621,314.57 (088.8) (56) "Электроника", 1977, М 7, с. 56-57. рис. 3.

Авторское свидетельство СССР

hL 1422388, кл. Н 03 К 17/60, 1988. (54) СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ (57) Изобретение относится к электротехнике и может найти применение при создании вторичных источников питания радиоэлектронной аппаратуры, Цель изобретения — повышение КПД и надежности

Изобретение относится к электротехнике и может найти применение при создании вторичных источников питания радиоэлектронной аппаратуры.

Известен электронный транзисторный ключ, содержащий ключевой транзистор, три диода, три резистора и блок управления, включающий в себя транзистор, трансформатор с тремя обмотками, резистор и диод.

Недостатком данного устройства является значительная задержка выключения ключевого транзистора вследствие протекания паразитного отпирающего тока в базовой цепи из-за наличия барьерной емкости фиксирующего диода и, как следствие, снижение КПД и надежности всего транзисторного ключа. Другим недостатком рассматриваемого устройства являются его низкие частотные свойства (или быстродействие), что объясняется тем, что ключевой

„„ЯЦ „„1721754 А1 стабилизированного преобразователя, В стабилизированный преобразователь, содержащий силовую часть 1, ключевой транзистор 2, резисторы 2 и 3, диод 5, дроссель

6 и блок управления 7 с транзистором 10 и трансформатором 11, введены дополнительный транзистор 12, широтно-импульсный модулятор 13, делитель напряжения 14, пороговый элемент 15, одновибратор 16. 3а счет исключения база-коллекторной связи и формирования выключающего импульса тока ключевого транзистора заданной длительности через первичную обмотку трансформатора блока управления улучшается динамика переключения и обеспечивается повышение надежности при общем упрощении схемы транзисторного ключа, расширение диапазона рабочих напряжений. 2 ил.

С: транзистор имеет большие времена выключения из-за пассивного его выключения.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство, содержащее блок управления с трансформаторным выходом, ключевой транзистор, токозадающий резистор, первый диод, фиксирующий диод, обратный диод, накопительный дроссель-трансформатор и два резистора, причем анод обратного диода подключен к базе ключевого транзистора, первый вывод токозадающего резистора соединен с первым выходом блока управления, а второй вывод — с анодом фиксирующего диода, коллектор ключевого транзистора через нагрузку соединен с первой шиной питания, а эмиттер — с второй шиной питания и вторым выходом блока управления, первичная обмотка накопи1721754 тельного дросселя-трансформатора включена между катодом фиксирующего диода и коллектором ключевого транзистора, а его вторичная обмотка подключена к база-эмиттерному переходу ключевого транзистора через последовательно соединенные первый диод и первый резистор, второй резистор включен между анодом фиксирующего диода и базой ключевого транзистора, катод обратного диода соединен с первым выходом блока управления.

Одним из недостатков указанного устройства являются невысокие удельные массогабаритные показатели вследствие использования большого числа элементов, а также наличия дросселя-трансформатора, имеющего большие габариты и служащего для обеспечения надежной гальванической развязки высоковольтной коллекторной и низковольтной базовой цепей ключевого транзистора, особенно при построении ключевых преобразователей напряжения промышленных сетей (220/380 В). Кроме того, электронный транзисторный ключ имеет низкий КПД из-за наличия токоограничительных цепей запаса энергии и невысокие частоты преобразования, особенно при высоком напряжении на шинах питания, ограничиваемые частотными свойствами фиксирующего диода.

Цел ью изобретения я вля ется по вы ш ение КПД и надежности.

На фиг.1 приведена схема стабилизированного преобразователя постоянного напряжения; на фиг,2 — временные диаграммы напряжений и токов, поясняющие его работу.

Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения содержит силовую часть 1, ключевой транзистор 2, первый

3 и второй 4 резисторы, диод 5, дроссель 6 и блок управления 7, снабженный первым 8 и вторым 9 питающими входами, включающий транзистор 10 и трансформатор 11, дополнительный транзистор 12, широтно-импульсный модулятор 13, делитель напряжения 14, пороговый элемент 15 и одновибратор 16, Блок управления снабжен четырьмя выходами, с первым из которых соединен первый вывод резистора 3, с вторым — первый вывод резистора 4, эмиттер ключевого транзистора 2 и один из входов силовой части 1, с третьим — один из выводов дросселя 6, с четвертым — катод диода 5, анод которого соединен с другим выводом дросселя 6. Другие вывода резисторов 3 и 4 соединены с базой ключевого транзистора 2, коллектор которого соединен с другим входом силовой части 1, В блоке управления первый выход широтно-импульсного модулятора 13 соединен с базой транзистора 10, второй выход — с первым входом порогового элемента 15, а

5 вход — с управляющим входом блока управления 7, с которым соединен выход силовой части 1, второй вход порогового элемента соединен с выходом делителя напряжения, входами подключенного к первому 8 и вто10 рому 9 питающим входам блока управления

7, выход порогового элемента через одновибратор 16 соединен с базой дополнительного транзистора, эмиттер которого соединен с первым питающим входом 8 бло15 ка управления 7, а коллектор — с третьим выходом блока управления. Первичная обмотка трансформатора 11 включена между первым питающим входом блока управления и коллектором транзистора 12, который

20 соединен с четвертым выходом блока управления 7, вторичная обмотка трансформатора 11 соединена с первым и вторым выходами блока управления 7.

На фиг.2 приняты следующие обозначе25 ния:

17 — напряжение управляющего сигнала с первого выхода широтно — импульсного модулятора 13;

18 — эпюры напряжения на первом и

30 втором входах порогового элемента 15;

19 — напряжение на выходе одновибратора 16;

20 — напряжение коллектор-эмиттер транзистора 10;

35 21 — ток через дроссель 6;

22 — ток намагничивания (холостого хода) сердечника трансформатора 11, приведенный к первичной обмотке;

23 — напряжение на вторичной обмотке

40 трансформатора 11;

24 — ток через первичную обмотку трансформатора 11;

25- ток через вторичную обмотку трансформатора 11.

45 За счет исключения база-коллекторной связи и формирования выключающего импульса тока ключевого транзистора заданной длительности через первичную обмотку трансформатора блока управления обеспе50 чивается повышение КПД, надежности при общем упрощении схемы электронного транзисторного ключа стабилизированного преобразователя постоянного напряжения, расширение диапазона изменений питаю55 щего напряжения.

Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения работает следующим образом.

Широтно-импульсный модулятор (ШИМ) 13 блока управления 7 формирует

1721754

35 уменьшить обратное напряжение на последовательно включенном с дросселем 6 дио40 де 5 до величины, близкой к нулю, 50

55 управляющий сигнал для включения транзистора 10, длительность которого зависит от уровня выходного напряжения силовой части 1, например, длительностью to-с2 (см. эпюру 17 на фиг.2). При этом на втором выходе LLIVIM формируется пилообразное напряжение, которое подается на первый вход порогового элемента 15, В соответствии с уровнем напряжения, формируемого с делителя напряжения 14, пороговый элемент 15 на выходе имеет высокий уровень в интервалы времени to-1г. В момент времени

tt по сигналу порогового элемента 15 одновибратор 16 формирует на своем выходе сигнал низкого. уровня длительностью t1-1в, который открывает дополнительный тран.зистор 12.

В интервалы времени to-t2 первичная обмотка трансформатора 11 блока управления 7 подключена к источнику вспомогательного напряжения — клеммы 8 и 9. При этом на вторичной обмотке трансформатора

11 наводится ЭДС и через база-эмиттерный переход ключевого транзистора 2 протекает прямой ток, в основном определяемый сопротивлением резистора 3. Транзистор 2 переходит в состояние высокой проводимости (открытое состояние).

B интервал времени 41-т2 включенного дополнительного транзистора 12 происходит накопление энергии в дросселе 6 за счет тока, протекающего по цепи коллекторноэмиттерный переход дополнительного транзистора 12 — дроссель 6 — диод 5— коллекторно-эмиттерный переход транзистора 10. К моменту времени tz ток в дросселе 6 и ток намагничивания сердечника трансформатора достигают максимальных значений соответственно imp.макс и ь,,макс..

В момент времени тг транзистор 10 закрывается и ток намагничивания трансформатора 11 начинает протекать по цепи второй выход блока управления? — параллельная цепь, образованная резистором 4 и база-эмиттерным переходом ключевого 4 транзистора 2, - резистор 3 — первый выход, блока управления 7. Кроме того, ток, накопленный в дросселе 6 imp за интервал времени 11 — тг, начинает протекать по цепи диод

5 — четвертый вход блока управления 7— первичная обмотка трансформатора 11— эмиттерно-коллекторный переход транзистора 12 — дроссель 6, наводя при этом ток во вторичной обмотке трансформатора 11, который протекает по той же цепи и в том же направлении, что и >iö, Под действием этих токов формируется обратное напряжение необходимой величины для форсированного выключения ключевого транзистора 2, В момент времени сз ток дросселя 6 и в момент времени с4 ток намагничивания

i трансформатора 11 спадают до нуля, т.е, сердечники трансформатора 11 и дросселя

6 полностью размагничиваются. .С момента времени T описанные процессы повторяются аналогично.

Цепи передачи энергии для включения ключевого транзистора и накопления энергии для его форсированного выключения разделены. Это позволяет сформировать управляющий сигнал ключевого транзистора с высокой крутизной нарастания за счет использования энергии, передаваемой трансформатором 11, только для включения ключевого транзистора 2. Кроме того, процесс накопления энергии в дроссель 6 не оказывает влияния на включающий сигнал.

Величина выключающего тока подбирается значением индуктивности дросселя 6 и временем одновременного включения дополнительного транзистора 12 и транзистора

10 за счет изменения коэффициента деления напряжения 14.

За счет исключения токоограничивающего резистора в цепях накопления энергии в дросселе 6 и передачи энергии для включения ключевого транзистора 2 достигается повышение КПД. Кроме того, за счет шунтирования база-эмиттерного перехода ключевого транзистора 2 резистором 4 исключены перенапряжения на указанном переходе и на переходе коллектор — эмиттер транзистора 10 блока управления 7. Организация цепей накопления энергии в дросселе 6 от вспомогательного источника позволяет упростить схему транзисторного ключа, выполнить дроссель однообмоточным.

В схеме обеспечивается формирование почти одинаковых (т,к. I> < Iqp) выключающих импульсов напряжения ключевого транзистора 2 в широком диапазоне изменений коэффициента заполнения управляющих импульсов за счет фиксированного по длительности подключения дросселя 6 к источнику вспомогательного напряжения. Это позволяет обеспечить одинаково эффективное выключение ключевого транзистора в широком диапазоне изменений питающего напряжения, не расходуя лишней энергии при больших. коэффициентах заполнения управляющих импульсов для форсированного выключения ключевого транзистора 2, Формула изобретения

Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения, содержащий силовую часть, ключевой транзистор, первый

1721754

Йя, 50

55 и второй резисторы, диод, дроссель и блок управления, снабженный первым и вторым питающими входами, включающий в себя транзистор и трансформатор, первичная обмотка которого включЕна между первым питающим входом блока управления и коллектором транзистора, эмиттер которого соединен с вторым питающим входом блока управления, вторичная обмотка трансформатора выводами соединена с первым и вторым выходами блока управления; первый вывод первого резистора соединен с первым выходом блока управления, первый вывод второго резистора соединен с вторым выходом блока управления, эмиттером ключевого транзистора и одним из входов силовой части, другой вход которой соединен с коллектором ключевого транзистора, один из выводов дросселя соединен с анодом диода, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД и надежности, в блок управления введены дополнительный транзистор, широтно-импульсный модулятор, делитель напряжения, пороговый элемент и одновибратор, кроме того, блок управления снабжен третьим и четвертым выходами, причем с третьим выходом блока управления соединены коллектор дополнительного

5 транзистора блока управления и другой вывод дросселя, с четвертым выходом блока управления соединены коллектор транзистора блока управления и катод диода, вторые выводы первого и второго резисторов

10 соединены с базой ключевого транзистора, причем в блоке управления первый выход широтно-импульсного. модулятора соединен с базой транзистора, второй выход — c первым входом порогового элемента, а вход

15 — с управляющим входом блока управления, с которым соединен выход силовой части, второй вход порогового элемента соединен с выходом делителя напряжения, входами соединенного с первым и вторым питающи20 ми входами блока управления, выход порогового элемента через одновибратор соединен с базой дополнительного транзистора, эмиттер которого соединен с первым питающим входом блока управления.

1721754

17, 1Дв наФ

Редактор О. Стенина

Заказ 961 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

Увгл n„ Ко 1ОНакс P„ г

РВСН П

Сфрм кс

zs (Гаси 17gg

Йоланка =(ребус +с дрнавв ) (е .g„).д,, + y>

Составитель С. Коняхин

Техред М.Моргентал Корректор О. Кундрик