Транзисторный преобразователь постоянного напряжения

 

Использование: в системах вторичного электропитания и автоматики. Сущность изобретения: устройство содержит полумостовой инвертор, вторичная обмотка силового трансформатора (1) которого соединена через выпрямитель (3) с выходными выводами, базовые обмотки соединены через базовые резисторы (9,10) с управляющими переходами, шунтированными обратными диодами (7,8), силовых транзисторов (5,6). Запирающие обмотки

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)s Н 02 М 7/538

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

13

Ф.

1ю

i(fl (21) 4762660/07 (22) 27,11.89 (46) 15,06.92. Бюл. N 22 (72) И.А. Фокин (53) 314.621.058(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 1130984, кл. Н 02 М 3/335, 1982.

Авторское свидетельство СССР

N 911671, кл, Н 02 М 3/335, 1980.

Авторское свидетельство СССР

М 568123, кл. Н 02 M 3/335, 1975. (54) ТРАНЗИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ (57) Использование: в системах вторичного электропитания и автоматики. Сущность изобретения; устройство содержит полумостовой инвертор, вторичная обмотка силового трансформатора (1) которого соединена через выпрямитель (3) с выходными выводами, базовые обмотки соединены через базовые резисторы (9,10) с управляющими переходами, шунтированными обратными диодами (7,8), силовых транзисторов (5,6). Запирающие обмотки (13,14) силового трансформатора (1) соедиИзобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах вторичного электропитания и автоматики.

Известен транзисторный преобразователь напряжения, содержащий силовой трансформатор, вторичная обмотка которого подсоединена через выпрямитель к выходным электродам транзисторов преобразователя, управляющие переходы которых.. шунтированные обратными диодами. сое„„Я „„1741245 А1 нены через вторичные обмотки (15,16) выключающего трансформатора (17) и запирающие диоды (18,19) к базам силовых транзисторов (5,6). Вспомогательная обмотка (31) силового трансформатора (1) подкл ючена к крайним выводам подстроечных резисторов (29,30), средние выводы которых подключены через диоды (27,28) и дроссель насыщения (26) к параллельно включенным эмиттерным переходам управляющих транзисторов (23,24), коллекторы которых включены через защитные диоды (21,22) к первичной обмотке (20) выключающего трансформатора (17), Расширение диапазона изменения напряжений, приложенных к дросселю насыщения (26) по полупериодам, приводит к расширению изменения времен перемагничивания магнитопровода этого дросселя до состояния насыщения, что позволяет скорректировать моменты запирания силовых транзисторов (5,6), имеющих значительный разброс времени эапирания, и осуществить качественное симметрирование преобразователя и исключить перегрузки силовых транзисторов(5,6);что повышает надежность преобразователя. 2 ил. динены через резисторы с базовыми обмотками силового трансформатора, дополнительные обмотки которых, включенные . согласно-последовательно с базовыми обмотками, подключены к первым выводам обмоток дросселя насыщения, вторые выводы которых подсоединены через запирающие диоды к базам силовых транзисторов преобразователя, а также потенциометр, крайние выводы которого подключены через разно1741245

55 направленные диоды к второму выводу од-. ной из обмоток дросселя насыщения, причем средний вывод потенциометра подключен к первому выводу одной из обмоток дросселя насыщения непосредственно, Недостатком известного технического решения является узость пределов симметрирования схемы всЛедствие того, что величины напряжений, приложенных к дросселю насыщения и определяющие начальный ток его перемагничивания, определяются напряжениями база — эмиттер силовых транзисторов, которые близки друг к другу в том числе у экземпляров транзисторов, имеющих значительный разброс своих коэффициентов усиления. Причем диапазон изменения напряжений, приложенных к дросселю насыщения, ограничен условием необходимости поочередного нахождения силовых транзисторов в насыщенном состоянии. Поэтому симметрирующая цепочка в известном техническом решении не устраняет полностью несимметрию, связанную с разбросом времен эапирания силовых транзисторов, что создает условия для одностороннего замагничивания сердечника силового трансформатора, способствующего перегрузкам силовых транзисторов, что снижает надежность преобразователя.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является преобразователь напряжения, содержащий силовой трансформатор. вторичная обмотка которого подсоединена через выпрямитель.к выходным выводам, а первичная обмотка связана с выходными электродами силовых транзисторов преобразователя, управляющие электроды которых, шунтированные обратными диодами, соединены через резисторы с базовыми обмотками силового трансформатора, дополнительные обмотки которого, включенные согласно-последовательно с базовыми обмотками, подключены к первым выводам обмоток дросселя насыщения, вторые выводы которых подсоединены через запирающие диоды к базам силовых транзисторов преобразователя, а также потенциометр, крайние выводы которого подсоединены через разнонаправленные диоды к второму выводу одной из обмоток дросселя насыщения, причем первый вывод указанной обмотки и средний вывод потенциометра подключены к выводам управляющей обмотки силового трансформатора.

Недостатком известного технического решения являются узкие пределы симметрирования, осуществляемого диодно-резистивной цепочкой. Укаэанная диоднореэистивная цепочка не может в широких пределах регулировать время перемагничивания дросселя насыщения, выполняющего времяэадающую функцию, так как по обоим полупериодам к обмотке дросселя насыщения прикладываются практически одинаковые напряжения обмотки силового трансформатора, так как, во-первых, чтобы напряжения отличались друг от друга необходимы различные падения напряжений на частях переменного резистора симметрирующей цепочки, что может быть достигнуто при большой величине сопротивления указанного резистора. потому что ток намагничивания первичной обмотки дросселя насыщения в установившиеся моменты времени ничтожно мал (ввиду запертого состояния диодов в цепях вторичных обмоток этого дросселя}. С другой стороны, выбор величины сопротивления переменного резистора симметрирующей цепочки ограничен сверху и это сопротивление не может быть большим, так как s моменты насыщения сердечника дросселя насыщения должен обеспечиваться ток через вторичные обмотки дросселя насыщения, превышающий базовый ток насыщенного силового транзистора. По этой причине переменный резистор симметрирующей цепочки не может быть выбранным больше по величине своего сопротивления, а влияние его изменения на время перемагничивания дросселя насыщения практически отсутствует (вследствие малости величины изменения сопротивления. определяющей падение напряжений на его частях при малых токах, протекающих через него в установившиеся моменты времени). При больших разбросах во времени запирания силовых транзисторов симметрирующая цепочка не устраняет полностью несимметрию перемагничивания сердечника силового трансформатора. что способствует возникновению одностороннего замагничивания его сердечника, приводящего к перегрузкам силовых транзисторов, снижающих надежность преобразователя.

Целью изобретения является повышение надежности путем улучшения условий симметрирования, Указанная цель достигается тем. что в транзисторный преобразовательь напряжения, содержащий полумостовой инвертор, вторичная обмотка силового трансформатора которого соединена через выпрямитель с выходнымй выводами. базовые обмотки "оединены через базовые резисторы с шунтированными обратными диодами управляющими переходами силовых транзисторов. базы которых соединены через выключающие диоды и вторичные об1741245

25

35

45

55 мотки выключающего трансформатора с первыми выводами запирающих обмоток силового трансформатора. вторые выводы которых присоединены к эмиттерам силовых транзисторов, вспомогательную обмотку силового трансформатора, первый вывод которой подключен к первому выводу первичной обмотки выключающего трансформатора, второй вывод которой присоединен к разноименным выводам первого и второго диодов, первый подстроечный резистор, введены второй подстроечный резистор, третий, четвертый диоды. дроссель насыщения и два управляющих транзистора со взаимно дополняющими типами проводимости, управляющие переходы которых включены параллельно и шунтированы резистором, эмиттеры подключены к первому выводу вспомогательной обмотки силового трансформатора, а коллекторы присоединены к свободным выводам соответствующего первого и второго диодов, при этом объединенные базы управляющих транзисторов соединены через дроссель насыщения с объединенными разноименными выводами третьего и четвертого диодов, другие выводы которых подключены к средним выводам первого и второго подстроечного резисторов, включенных между первым и вторым выводами вспомогательной обмотки силового трансформатора.

Новым в предлагаемом техническом решении является то, что в него введены дополнительный выключающий трансформатор, два управляющих транзистора со взаимно дополняющими типами проводимости, управляющие переходы которых включены параллельно и шунтированы резистором, эмиттеры подключены к первому выводу вспомогательной обмотки силового трансформатора. а коллекторы присоединены к свободным выводам соответствующего первого и второго диодов, при этом объединенные базы управляющих транзисторов соединены через дроссель насыщения, выполненный однообмоточным, с объединен.ными разноименными выводами третьего и четвертого диодов, другие выводы которых подключены к средним выводам соответственно первого и второго подстроечных резисторов, включенных между первым и вторым выводами вспомогательной обмотки силового трансформатора, Существенным отличием является расширение диапазона изменения времени выключения силовых транзисторов симметрирующей. цепочкой, что позволяет осуществить качественное симметрирование при больших разбросах времен выключения силовых транзисторов, что исключает перегрузки силовых транзисторов и повышает надежность. В техническом решении, принятом зэ прототип, симметрирование схемы может осуществляться в узких пределах.

При превышении величин разбросов времен запирания силовых транзисторов пределов симметрирования, определяемых схемным решением, сохраняется остаточная несимметрия в работе преобразовэтеля, снижающая его надежность, Положительный эффект достигается увеличением пределов симметрировэния, что позволяет качественно отсимметрировать траекторию перемагничивания сердечника силового трансформатора и исключить таким образом перегрузки силовых транзисторов, что повышает надежность, В техническом решении, принятом за прототип, из-зэ узких пределов симметрирования создаются условия для перегрузки силовых транзисторов вследствие неполного симметрирования перемагничивания сердечника силового трансформатора, что снижает надежность преобразователя, Нэ фиг,1 приведена схема транзисторного преобразователя напряжения; нэ фиг.2 изображены временные характеристики токов и напряжений, Транзисторный преобразователь напряжения содержит силовой трансформатор 1, ко вторичной обмотке 2 которого подключен выпрямитель 3. Один вывод первичной обмотки 4 укаэанного трансформаторэ 1 подключен к точке соединения эмиттера и коллектора силовых транзисторов 5 и 6 соответственно, база-эмиттерные переходы которых зашунтированы диодами

7 и 8 в обратном включении. Базы транзисторов 5 и 6 подключены через резисторы 9 и 10 к одним выводам обмоток 11 и 12 силового трансформатора 1, другие выводы которых подключены К эмиттерам силовых транзисторов 5 и 6 соответственно. Обмотки 13 и 14 силового трансформатора 1 включены согласно с обмотками 11 и 12 этого трансформатора последовательно со вторичными обмотками 15 и 16 выключающего трансформатора 17. и диодами 18 и 19 к базам силовых транзисторов 5 и 6. Первичная обмотка 20 выключающего трансформатора 17 одним выводом подключена через защитные диоды 21 и 22 к коллекторам управляющих транзисторов 23 и 24 с взаимно дополняющими типами проводимости, база-эмиттерные переходы которых объединены и зашунтированы резистором 25, причем к другому выводу обмотки 20 выключающего трансформатора 17 подключены эмиттеры транзисторов 23 и 24.

1741245

Объединенные базы управляющих транзисторов 23 и 24 подключены через дроссель насыщения 26 к объединенным разноименным выводам диодов 27 и 28, другие выводы которых подключены к средним выводам подстроечных резисторов 29 и 30, крайние выводы которых подключены между первым и вторым выводами вспомогательной обмотки 31 силового трансформатора 1, один из которых подключен к эмиттерам управляющих транзисторов 23 и

24. Цепочка из последовательно соединенных конденсаторов 32 и ЗЗ средним выводом подключена к другому выводу обмотки

4 силового трансформатора 1. а крайними выводами подключена к входным выводам, подключенным также к коллектору силового транзистора 5 и эмиттеру транзистора 6 соответственно. Токам через дроссель 26 соответствуют эпюры 34,35 и 36. Напряжениям на коллекторах управляющих транзисторов 23 и 24 соответствуют эпюры 37 и 38, Напряжениям на коллекторах силовых транзисторов 5 и 6 соответствуют эпюры 39 и 40.

Транзисторный преобразователь постоянного напряжения работает следующим образом. После запуска преобразователя одним из известных способов конкретное схемное решение которых не приводится вследствие несущественности с точки зрения задачи, решаемой в предлагаемом техническом решении, силовые транзисторы периодически находятся в открытом и закрытом состояниях, Предположим, открыт силовой транзистор 5 и закрыт силовой транзистор 6. Ток базы транзистора 5 определяется величиной напряжения на обмотке

11 и величиной сопротивления резистора 9.

Диод 7 находится в непроводящем состоянии, а диод 8 — в проводящем, ограничивая величину обратного напряжения на эмиттерном переходе транзистора 6 величиной падения напряжения на диоде 8 в прямом направлении, На обмотке 13 трансформатора 1 существует отрицательное напряжение относительно эмиттера транзистора 5, которое прикладывается через проводящий диод 18 к обмотке 15 выключающего трансформатора 17. Однако ток через обмотку 15 этого трансформатора в установившиеся моменты времени ничтожно мал и определяется только током намагничивания этой обмотки, поэтому не оказывает влияния на ток базы транзистора 5. Поэтому напряжение обмотки 13 трансформатора 1 практически падает на обмотке 15 трансформатора

17. Выключающий трансформатор 17 рассчитывается таким образом, чтобы его сердечник при всех условиях перемагни25

30 насыщение. падение напряжения на нем резко уменьшается. а ток через него и диод

35 28 возрастает до величины. большей поро40

55 чивался по линейному закону и не насыщался несмотря на несимметричный режим работы, Для этого его сердечник может быть выполнен с воздушным зазором. или без него, но должен быть выполнен на материале, обеспечивающем линейный режим при высоких значениях индукции, например на молибденовом пермаллое. Диоды 21 и 22 защищают управляющие транзисторы от инверсного включения. Диоды 27 и 28 разделяют напряжения, приложенные к дросселю насыщения 26 по полупериодам.

Напряжения на обмотках 14 трансформатора 1 и на обмотке 16 трансформатора 17 включены встречно и примерно pBBHbl, что исключает их влияние на режим запертого транзистора 6. Напряжение обмотки 20 трансформатора 17 прикладывается через защитный диод 22 к коллектору управляющего транзистора 24, который находится в запертом состоянии. так как напряжение на эмиттерном переходе недостаточно по величине для его отпирания. Величина этого напряжения определяется током намагничивания (34) дросселя насыщения 26 через проводящий диод 28, величина которого в свою очередь определяется коэффициентом деления напряжения обмотки 31 трансформатора 1 делителем. образованным частями резистора 30 относительно своего среднего вывода. Через время, определяемое параметрами дросселя 26, последний входит в гового уровня l«p. Величины падения напряжения на резисторе 25 оказывается достаточно для отпирания транзистора 24, который шунтирует обмотку 20 трансформатора 17, падение напряжения на обмотке 24 резко уменьшается. что приводит к уменьшению падений напряжений на остальных его обмотках. Уменьшение падения напря-. жения на обмотке 15 трансформатора 17 приводит к приложению напряжения запирающей полярности обмотки 13 трансформатора 1 к база.-эмиттерному переходу транзистора 5, который запирается (интервал времени tz-t>). Полярности напряжений на обмотках трансформатора 1 и трансформатора 17 изменяются на противоположные, транзистор 5 остается в запертом состоянии с отрицательным относительно эмиттера напряжением обмотки 11, а транзистор 6 отпираешься, Дроссель насыщения

26 выходит из состояния насыщения и начинает перемагничиваться в обратном направлении. Через промежуток времени язв

tz, определяемый параметрами дросселя насыщения 26 и напряжением на движке

1741245

10 подстроечного резистора 29. сердечник дросселя 26 входит в насыщение, открывается транзистор 23, шунтирующий обмотку

20 трансформатора 17 и происходит эапирание транзистора 6 в течение времени ts - t4.

При одинаковых положениях движков потенциометров 29 и 30 к дросселю 26 прикладываются одинаковые напряжения. что приводит к равным начальным токам перемагничивания I(, 1 = I 2 дросселя 26 в смежные полупериоды и одинаковым длительностям 37 и 38 (совместно с штриховой линией) напряжений .коллектор-эмиттер транзисторов 23 и 24, определяющих моменты превышения токов через резистор 25 (Inpp, Inpp), ПРи котоРых откРываются TPclH зисторы 23 и 24 соответственно. ТранзистоРы 5 и 6 запиРаютсЯ с заДеРжкой zpt, тр2 относительно моментов времени tl и t4. Определяемой параметрами транзисторов 5 и

6, (фиг,2. масштаб длительностей времен рассасывания неосновных носителей транзистоРов 5 и 6 — zp1 и гр2 ДлЯ наглЯДности увеличен). Вследствие неидентичности параметров транзисторов 5 и 6 время рассасывания неосновных носителей. определяющее время эапирания. у них неодинаково, B пРивеДенном слУчае тг > тр1. что приводит к увеличению полупериода 40 (совместно с штриховой линией. фиг.2) по сравнению с полупериодом 39. т.е. к несимметричному режиму работы. Симметрирование схемы производится следующим образом. При увеличении напряжения. снимаемого с потенциометра 29 (изменением его положения). начальный ток намагничивания i< з дросселя 26 будет увеличен. что уменьшит время его перемагничивания к более раннему отпиранию транзистора 24 (момент времени 13), вследствие чего сокращается полупериод 40 до значения. равного полупериоду 39, а промежуток времени t2t< становится равным промежутку времени

t4- tz, т.е. происходит симметрирование схемы, вследствие чего сердечник трансформатора 1 перемагничивается llo симметричному циклу. Изменением напряжений. приложенных к дросселю 26. возможно в широких пределах изменять время его перемагничивания до состояния насыщения и длительность выходных импульсов преобразователя, связанную с этим временем.

Улучшение условий симметрирования путем расширения пределов изменения начальных моментов времени эапирания силовых транзисторов позволяет осуществить качественное симметрирование схемы при больших разбросах во времени запирания

5 силовых транзисторов, что исключает их перегрузки и как следствие повышает надежность преобразователя постоянного напряжения.

Формула изобретения

Транзисторный преобразователь постоянного напряжения. содержащий полумостовой инвертор. вторичная обмотка силового трансформатора которого соеди15 нена через выпрямитель с выходными выводами, базовые обмотки соединены через базовые резисторы с управляющими переходами, шунтированными обратными диодами. силовые транзисторы. базы которых

20 соединены через выключающие диоды и вторичные обмотки выключающего трансформатора с первыми выводами запирающих обмоток силового трансформатора. вторые выводы которых присоединены к

25 эмиттерам силовых транзисторов. вспомогательную обмотку силового трансформатора. первый вывод которой подключен к первому выводу первичной обмотки выключающего трансформатора, второй вывод ко30 торой присоединен к разноименным выводам первого и второго диодов. первый подстроечный резистор, о т л и ч а ю щ и й— с я тем. что. с целью повышения надежности путем улучшения условий симметриро35 вания преобразователя, в него введены подстроечный резистор. третий. четвертый диоды, дроссель насыщения и два управляющих транзистора со взаимно дополняющими типами проводимости. управляющие

40 переходы которых включены параллельно и шунтированы резистором. эмиттеры подключены к первому выводу вспомогательной обмотки силового трансформатора, а коллекторы присоединены к свободным вы45 водам соответствующего первого и.второго диодов. при этом объединенные базы управляющих транзисторов соединены через дроссель насыщения с объединенными разноименными выводами третьето и четверто50 го диодов. другие выводы которых подключены к средним выводам соответствующего первого и второго подстроечного резисторов, включенных между первым и вторым выводами вспомогательной обмот55 ки силового трансформатора.

1741245

17-41245

2аоР фиг 2

Составитель И.Фокин

Редактор В.Фельдман Техред М,Моргентал Корректор О.Кравцова

Заказ 2091 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