Однотактный преобразователь постоянного напряжения

 

Использование: изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания. Сущность изобретения: преобразователь содержит транзистор 1, соединенный с блоком 2 управления, силовой трансформатор 3 с первичной обмоткой 4 и вторичной обмоткой 5, подключенной через выпрямитель 6 и дроссель фильтра 7 к выходным выводам. В узле формирования траектории переключения установлен вспомогательный трансформатор 11, у которого обмотка 13 включена последовательно с дросселем фильтра 7, а обмотка 12 соединена через диод 14 с конденсатором 9 и диодом 10, а также с входным выводом. Перед включением транзистора 1 конденсатор 9 заряжен до входного напряжения. Благодаря разряду конденсатора 9 через диод 10 спад коллекторного тока запирающегося транзистора 1 происходит при малом напряжении на нем, что уменьшает динамические потери и снижает вероятность вторичного пробоя. Восстановление напряжения на конденсаторе 9 при подготовке к следующему циклу работы производится путем перезаряда приведенным током нагрузки с помощью вспомогательного трансформатора 11 на интервале открытого состояния транзистора 1, при этом практически полностью исключены выбросы коллекторного тока, а также потери энергии. 1 з.п. ф-лы. 2 ил. (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

)s H 02 M 3/335

ГОСУДАРСТВЕ ННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ6СТВУ (21) 4789961/07 (22) 12,02.90 (46) 30.08.92. Бюл. N 32 (7l) Чувашский государственный университет им. И,Н. Ульянова (72) В.И. Костылев и В.А, Баймулкин (56) Патент США М 3818311, кл. Н 02 М 3/335, 321/43, 17.11.72, Авторское свидетельство СССР

М 1582296, кл. Н 02 М 3/335, 27.04,88. (54) ОДНОТАКТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ (57) Использование: изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках вторичного алек! ропитания. Сущность изобретения: преобразователь содержит транзистор 1, соединенный с блоком 2 управления, силовой трансформатор 3 с первичной обмоткой 4 и вторичной обмоткой 5, подключенной через выпрямитель 6 и дроссель фильтра 7 к выходным выводам. В узле формирования траектории переключения

5U«1758797 Al установлен вспомогательный трансформатор 11, у которого обмотка 13 включена последовательно с дросселем фильтра 7, а обмотка 12 соединена через диод 14 с конденсатором 9. и диодом 10, а также с входным выводом. Перед включением транзистора 1 конденсатор 9 заряжен до входного напряжения. Благодаря разряду конденсатора 9 через диод 10 спад коллекторного тока запирающегося транзистора 1 происходит при малом напряжении на нем, что уменьшает динамические потери и снижает вероятность вторичного пробоя. Восстановление напряжения на конденсаторе 9 при подготовке к следующему циклу работы производится путем перезаряда приведенным током нагрузки с помощью вспомогательного трансформатора 11 на интервале открытого состояния транзистора 1, при этом практически полностью исключены выбросы коллекторного тока, а также потери энергии. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1758797

Изобретение относи ся к преобразовательной технике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания, Известен однотактный преобразователь постоянного напряжения, содержащий 5 транзистор, силовой трансформатор и вспомогательный дроссель, цепь формирования траектории переключения из соединенных последовательно конденсатора и диода, Известен также однотактный преобра- 10 зователь постоянного напряжения, содержащий транзистор, силовой и вспомогательный трансформаторы, у которых последовательно соединенные первичные обмотки подключены к одному из 15 входных зажимов и коллектору транзистора, цепь формирования траектории переключения из соединенных последовательно конденсатора и первого диода, к общей точке соединения которых через второй диод 20 подключена вторичная обмотка вспомогательногоо трансформатора.

Недостатком этого преобразователя является то, что включение первичной обмотки вспомогательного трансформатора 25 последовательно с коллектором транзистора ограничивает возможности снижения перенапряжений и соответственно препятствует достижению высоких КПД и надежности.

Цель изобретения — повышение КПД. 30

Поставленная цель достигается тем, что в однотактном преобразователе пос гаянного напряжения, содержащем силовой тра: сформатор, первый вывод вторичной обмотки которого присоединен к первому 35 выходному выводу, а второй вывод связан через выпрямитель и дроссель фил -.тра с вторым выходным выводом, ключевой транзистор, первый силовой вывод которого присоединен к первому входному выводу, а 40 второй силовой вывод соединен через первичную обмотку силового трансформатора с вторым входным выводом, вспомогательный двухобмоточный трансформатор, первая обмотка которого включена 45 последовательно между первым и вторым диодами, свободные выводы которых присоединены соответственно к первому и второму входному выводу, конденсатор, включенный между вторым силовым выво- 50 дом ключевого транзистора и точкой соединения первой обмотки вспомогательного трансформатора и второго диода, связь второго вывода вторичной обмотки силового трансформатора с дросселем фильтра осу- 55 ществлена через вторую обмотку вспомогательного трансформатора. Кроме того, магнитопровод вспомогательного трансформатора состоит из двух сердечников, при этом первый из них выполнен иэ феррита, а второй — из материала с линейной характеристикой намагничивания.

На фиг. 1 показана схема однотактного преобразователя постоянного напряжения; на фиг. 2 — временные диаграммы токов и напряжений, Однотактный преобразователь постоянного напряжения (фиг, 1) содержит ключевой транзистор 1, управляющие электроды которого подключены к блоху управления 2, силовой трансформатор 3 с первичной обмоткой 4 и вторичной обмоткой 5, выпрямитель б, дроссель фильтра 7, нагрузку 8. Узел формирования траектории переключения состоит из конденсатора 9, первого диода

10., вспомогательного трансформатора 11 с первой 12 и второй 13 обмотками и второго диода 14. Однотактный преобразователь с прямым ьключением диода, кроме того, имеет обмотку размагничивания 15 силового трансф1)рматора 3 и диоц 16.

Блок правления 2 подключен выходом к управляющим электродам ключевого транзистора 1, Змиттер и коллектор ключевого транзистора 1 через первичную обмотку 4 силового трансформатора 3 подключены к входным зажимам преобразователя, Первичная обмотка 4 силового трансформатора 3 зашунтирована последовательно соединенными конденсаторами 9 и диодом О, причем к общей точке последних подключена цепь из второго диода 14 и обмотки 12 вспомогательного трансформатора 11. Другой вывод этой цепи соединен с эмиттером ключево с транзистора 1, Вторичная обмотка 5 силового трансформатора

3 через выпрямитель 6 .: последовательно соединенные вторую обмотку 13 вспомогательного TpBHcÜop..àòoðà 11 и дроссель фильтра 7 подключена к нагрузке 8, которая, в частности, может быть активноемкостной, Однотактный преобразователь постоянного напряжения работает следующим образом, В установившемся режиме работы преобра -авателя к моменту отпирания транзистора 1 напряжение на конденсаторе 9 имеет полярность, показанную на фиг. 1 в скобках. В момент времени t = 0 блок управления 2 включает транзистор 1 и напряжение на нем О, (фиг, 2а) уменьшается до нуля, При этом напряжение на конденсаторе

9 Ug через открывающийся диод 14 прикладывается к обмотке 12 «рансформатора 11. Коллекторный ток транзистора 1 i1 складывается из тока, протекающего по обмотке 4, и тока переэаряда конденсатора 9.

Скорость нарастания тока в обмотке 4 or1758797 раничивается индуктивностями рассеяния обмоток 4 и 5 трансформатора 3, Ток перезаряда конденсатора 9 протекает по цепи: транзистор 1 — обмотка 12 — диод 14 и определяется током обмотки 12 i>z, а его скорость нарастания ограничена индуктивностями рассеяния обмоток 12, 13 трансформатора 11, Следовательно, включение транзистора 1 происходит в благоприятных условиях, После окончания формирования фронта ток в обмотке 4 становится равным приведенному току нагрузки 8 и определяется отношением чисел витков обмоток 5 и 4. Ток перезаряда конденсатора 9 складывается из тока дросселя 7, приведенного от обмоток 13 к обмотке 12 трансформатора 11, и тока намагничивания этого трансформатора, протекающего по обмотке 12. Если пренебречь токами намагничивания обмотки 4 трансформатора 3 и обмоток 12 трансформатора 11 и временами переключения диодов выпрямителя б, то коллекторный ток ll установится приблизительно равным i> = др.(W5/W4) + ядр,(1 13/Р/12), где др — ток дросселя 7, равный приблизительно току нагрузки 8, и при большой индуктивности дросселя 7 практически не меняющийся во времени; ток обмотки 13 !!э равен току l p., Wg, W4, W13, W12 — числа витков соответствующих обмоток трансформаторов 3 и 11.

Испол зуя приведенное соотношение, можно выбрать параметры трансформатора 11 таким образом, что коллекторный ток транзистора 1 будет незначительно превышать приведенный ток нагрузки 8.

В интервале времени 0 — t! полярность напряжений на обмотках 12 и 13 показана на фиг. 1 в скобках и в 3То время конденсатор 9 разряжается, а сердечник трансформатора 11 намагничивается, при этом энергия, накопленная в конденсаторе 9, отдается в нагрузку. В момент времени t> напряжения на конденсаторе 9 и обмотках 12 и 13 становятся равными нулю, а затем, под действием намагничивающего тока дросселя 7, протекающего по обмотке 13, меняют свою полярность и начинают расти (полярность напряжений показана на фиг. 1 без скобок). Напряжение на конденсаторе 9 в момент времени tz достигает напряжения питания Ua преобразователя, после чего открывается диод 10, и энергия, накопленная в индуктивности намагничивания трансформатора 11, рекуперируется в источник питания, После того, как сердечник трансформатора 11 вновь намагничивается до насыщения, напряжения на обмотках 12 и 13 спадут до нуля, диод 14 закроется.

До момента запирания транзистора 1 тэ происходит передача энергии от источника

55 нии магнитопровода режим работы узла питания в на руэку 8, При этом накапливается энергия в индуктивностях намагничивания и рассеяния трансформатора 3. После того, как блок управления 2 подаст запирающий импульс на транзистор 1, его коллекторный ток lt в момент времени t3 начнет уменьшаться. Ток обмотки 4 открывает диод

10 и начинает перезаряжать конденсатор 9.

Поскольку в момент тэ напряжение на конденсаторе 9 равнялось напряжению питания преобоаэователя Un, то напряжение на коллекторе транзистора 1 U l начинает нарастать плавно с нуля. При этом коллекторный ток успевает уменьшиться до нуля при еще небольшом напряжении на транзисторе 1. Следовательно, динамические потери в транзисторе на этапе выключения невелики.

С течением времени напряжение на конденсаторе 9 сначала уменьшится до нуля, а затем начинает расти в обратной полярности (показана на фиг, 1 в скобках) до напряжения, определяемого суммой приведенного напряжения на нагрузке 8 от обмоток 15 к обмотке 4, и напряжения, обусловлен ного разрядом индуктивности рассеяния обмотки 4. В дальнейшем после включения тра.. зистора 1 процессы повторятся.

Параметры трансформатора 11 целесообразно выбрать таким образом, чтобы при номинальном токе нагрузки сердечник входил в насыщение в момент tg окончания процесса заряда конденсатора 9 до напряжения питания 0„, как показано на фиг. 2а. или несколько позже.

Кроме того, при уменьшении тока нагрузки 8 может оказаться, что сердечник трансформатора 11 войдет в насыщение раньше, чем закончится разряд конденсато-. ра 9 до нуля. вследствие чего индуктивность намагничивания обмотки 12 резко уменьшится, ток переэаряда приобретает резонансный характер, амплитуда которого будет определяться остаточным напряжением на конденсаторе 9 и волновым сопротивлением контура переэаряда. учитывая, что такой режим наступает при малых токах нагрузки 8, суммарные потери в транзисторе 1 не увеличиваются.

Кроме того, амплитуду резонансного тока можно уменьшить, если магнитопровод трансформатора 11 составить иэ двух, например кольцевых, сердечников, один из которых имеет высокую магнитную проницаемость и нелинейную характеристику (феррит), а второй — линейную характеристику намагчичивания (альсифер, пресс-пермаллой и т.д,). При таком исполне1758797 формирования траектории переключения в области номинальных токов нагрузки определяется ферритовым сердечником, а на холостом ходе и в режимах, близких к нему,— сердечником с линейной характеристикой 5 намагничивания.

В предлагаемом преобразователе перенапряжения на транзисторе в момент его выключения определяются только индуктивностью рассеяния первичной обмотки сило- 10 вого трансформатора, в то время как в прототипе они зависят еще и от индуктивностей намагничивания и рассеяния вспомогательного трансформатора, Следовательно, вероятность вторичного пробоя транзистора }5 в предложенном преобразователе значительно ниже, а его надежность и КПД выше.

©ормула изобретения

1, Однотактный преобразователь посто- 20 янного напряжения, содержащий силовой трансформатор, первый вывод вторичной обмотки которого присоединен к первому выходному выводу, а второй Вь!Вод связан через выпрямитель и дроссель фильтра с 25 вторым выходным выводом, ключевой тран& зистор, первый силовой вывод которого присоединен к первому входному выводу, а второй силовой вывод соединен через первичную обмотку силового трансформатора с вторым входным выводом, вспомогательный двухобмоточный трансформатор, первая обмотка которого включена последовательно между первым и вторым диодами, свободные выводы которых присоединены соответственно к первому и второму входному выводу, конденсатор, включенный между вторым силовым выводом силового транзистора и точкой соединения первой обмотки вспомогательного трансформатора и второго диода, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, связь второго вывода вторичной обмотки силового трансформатора с дросселем фильтра осуществлена через вторую обмотку вспомогательного трансформатора.

2, Преобразователь по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что магнитопровод вспомогательного трансформатора состоит из двух сердечников, первый из которых выполнен из ферритэ, а второй — из материала с линейной характеристикой намагничивания.