Преобразователь постоянного напряжения в постоянное

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕ СКИХ

РЕСПУБЛИК (5!)5

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ к авторскому свидетельств

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

llPM ГКНТ СССР

1 (21) 4886136/07 (22) 28 11.90 (46) 23,09,92. Бюл. М 35 (71) Центральный научно-исследовательский радиотехнический институт . (72) В.И.Хандогин, H,È.Ñòóêîâíèí и А.В.Райкова (56) Патент Великобритании М 195850. кл, Н 02,М 3/335, 1978.

Авторское свидетельство СССР

М 1249666, кл. Н 02 М 3/335. 1984.

„„5LJ 1764127 А1

2 (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО

НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ (57) Использование: во вторичных источниках электропитанйя сйстем радиотехники, автоматики и вычислительной техники, Сущность изобретения: устройство содержит дроссель насыщеййя (1) с двумя сердечниками (2 и 3) и с расположенными на них рабочими обмотками (4 и 5) и обмотками управления (6 и 7), преобразователь постоянного напряжения в переменное (8) и вы1764127

20

35 тельных соединений

40 прямитель с нагрузкой (9). Рабочие обмотки (4 и 5) дросселя насыщения (1) соединены последовательна и включены между выходом преобраэовагеля постоянного напряжения в переменное (8) и входом выпрямителя (9). Обмотки. управления (6 и 73 через линейный дроссель (10) и диод (11) подключены к дополнительному источнику.

Два ключевых транзистора (15 и 16) через два дополнительных дросселя насыщения (19 и 20) подключены к диоду (11), вхОды ключевых транзисторов (15 и 16) соединены с дополнительным выходом преобразователя постояннога напряжения в переменное

Изабретенйе относится к электротехнике и используется во вторичных источниках питания систем радиотехники, автоматики и вычислительной техники.

Известен преобразователь постоянного напряжения в ток, содержащий входной трансформатор, дроссель насыщения, выпрямитель и фильтр, причем обмотка управления соединена с узлом управления, Недостатками данного устройства явлнатся низкая надежность из-за большого количества соединений дросселя с выпрямителем и трансформаторов, отсутствие ограничения тока по входу (иэ-за использования свободного режима намагничивания) и низкий КПД из-за применения линейного регулирования тока управления.

Наиболее близким к.предлагаемому по техйической сущности является преобразователь постоянного напряжения в ток, содержащий дроссель насыщения с двумя сердечниками и с расположенными на них рабочими обмотками и обмотками управления, преобразователь постоянного напряжения в переменное, выпрямитель с нагрузкой, причем рабочие обмотки дросселя насыщения соединены последовательно и включены между выходом преобразователя постоянного напряжения в переменное и входом выпрямителя, линейный дроссель и диод, включенные последовательно с обмотками управления дросселя насыщения, дополнительный источник питания, подключенный одним зажимом к одному из вы-. водов диода, а также узел управления насыщением дросселя насыщения, включающий схему сравйения, одним входом подключенную к выходу всего устройства, другим входом — к источнику эталонного напряжения, а выходом — ко входу регулиру ощего транзистора, (8), вторичные обмотки (21 и 22) дополнительных дросселей насыщения (19 и 20) через диоды (23 и 24) соединены параллельно и IlopKllloчены к конденсатору (25) и регулирующему транзистору (14). Изменение така в обмотках управления (6 и 7) достигается изменением времени насыщенного состояния дополнительных дросселей (19 и 20).

Надежность повышается эа счет выполнения общей обмотки, размещаемой на соосно расположенных сердечниках дросселя насыщения (1), выходного трансформатора и согласующего трансформатора. 6 з.п. флы,9ил, Недостатками этого преобразователя являются; низкий КПД и надежность за счет сложности, связанные со следующими причинами: — при изменении тока через управляющие обмотки дросселя насыщения линейный дроссель должен обеспечивать непрерывный ток. При отсутствии тока к линейному дросселю прикладывается переменное напряжение второй гармоники переменного напряжения преобразователя, однако из-за наличия диода и сопротивления потерь в сердечнике линейного дросселя возникает несимметричный переменный ток, который, усиливаясь, поступает в нагрузку. Причем из-за линейности дросселя (т.к. постоянства индуктивности при изменении тока через него в широких пределах) величина этого паразитного тока Может быть значительна. Для компенсации влияния этого тока вводится подгрузка по выходным зажимам, снижающая КПД; при линейном регулировании тока через линейный драссель на регулирующем транзисторе выделяется значительная мощность, снижающая как КПД, так и надежность; — при построении мощных преобразователей постоянного напряжения в ток (например, при токах через дроссель насыщения 50-100 А и выше) возникают трудности сочленения выводов выходного трансформатора, дросселя насыщения. согласующего трансформатора. Обеспечение пайкой этих сочленений затруднено, а механические соединения снижают надежность

Цель изобретения — повышение КПД и надежности за счет исключения дополниПоставленная цель достигается, что в. преобразователь настоянного напряжения

1764127 в постоянное, содержащий дроссель насы- но со второй рабочей обмоткой основного щения с двумя сердечниками и с располо- дросселя насыщения и выполнена в виде женными на них рабочими обмотками и единой обмотки, намотанной на располообмотками управления;- преобразователь женные соосно сердечник согласующего постоянного напряжения в переменное, вы- 5 трансформатора и сердечники основного прямитель, соединенный с выходными вы- дросселя насыщения. водами, причем рабочие обмотки дросселя Обмотка выходного трансформатора насыщения соединены последовательно"и преобразователя постоянного напряжения включены между выходом преобразователя в переменное, рабочие обмотки основного постоянного напряжения в переменное и 10 дросселя насыщения и первичная обмотка входом выпрямителя, линейный дроссель и согласующего трансформатора включены диод, включенные последовательно с об- согласноивыполненыввидеединойобмотмотками управления дросселя наСыщения, ки, намотанной на расположенные соосно дополнительный источник питания, под- сердечники выходного трансформатора ключенный одним выводом к одному из вы- 15 преобразователя постоянного напряжения водом диода, а также узел управлейия в переменное. сердечникиосновногодроснасыщением дросселя насыщения, включа- селя насыщения и сердечник согласующего ющий в себя узел сравнения, одним входом трансформатора. подключенный к выходным выводам, дру- Диод зашунтирован дополнительно гим — к источнику эталонного напряжения, 20 введенным резистором. а выходом — ко входу регулирующего тран- Сердечник линейного дросселя выползистора, введены два ключевых транзисто- нен составным из йервого сердечника с выра,, два дополнительных дросселя сокой магнитнойпроницаемостьюи второго насыщения с первой и второй обмотками и сердечника с малой магнитной проницаемосердечниками, отношение Br/Bs которых 25 стью при близких значениях индукции насыравно нулю, два дополнительнйх диода щения Bs у обоих. и конденсатор, а преобразователь постоян- На фиг. 1 показана структурная схема ного напряжения в переменное снабжен до- устройства; на фиг. 2 — 4 — принципиальные полнительным выходом по переменному электрическиесхемыустройства; нафиг.5току, который подключен ко входам ключе- 30 график, поясняющий характеристики сервых транзисторов, коллекторов, коллекторы дечников дополнительных дросселей насыкоторых соединены через первые обмотки щения; на фиг, 6 — график, поясняющий дополнительных дросселей насыщения с характеристики составного сердечника общей точкой соединения диода и линейно- линейного дросселя; на фиг. 7 — 9 — конструкго дросселя, эмиттеры ключевых транзи- 35 тивное выполнение выходного трансформасторов подключены Ко второму выводу тора. основного магнитного усилителя, дополнительного источника. питания; а вто - согласующего"трансформатора, рые обмотки дополнительных дросселей на- Устройство на фиг. 1 содержит дроссель сыщения соединения параллельно через насыщения 1 с двумя сердечниками 2, 3 и дополнительные диоды к конденсатору, па- 40 расположенными на них рабочими обмотка" раллельно которому подключен регулирую- ми 4, 5 и обмотками управления 6, 7, преобщий транзистор. разователь постояйного напряжения в

Поставленная цель достигается также переменное 8, выпрямитель с нагрузкой 9, тем, что рабочие обмотки основного дроссе- причем рабочие обмотки 4, 5 дросселя насыля насыщения включены согласно, а его об- 45 щения 1 соединены последовательно и мотки управления включены встречно;- . включены между выходом преобразователя

Преобразователь постоянного напря- постоянного напряжения в переменное 8 и жения в переменное выполнен по схеме входом выпрямителя 9, линейный дроссель ключевого усилителя мощности с вйходным 10 и диод 11, включенные последовательно трайсформатором, à его выходная обмотка 50 с обмоткамиуправления 6,7дросселя насысоединена с первой рабочей обмоткой ос- щения 1, дополнительный источник питания новного дросселя насыщения соглаСно и 0доп., подключенный одним зажимом к одвыполнена в виде единой обмотки, намотан- ному из выводов диода 11. Узел управления ной на расположенные соосно сердечник 12 насыщения дросселя насыщения 1 вклювыходного трансформатора и сердечники 55 чает схемусравнения 13, одним входом подосновногодросселя насыщения. ключенную к выходу всего устройства, Между входом выпрямителя и рабочей другим входом — к источнику эталонного обмоткой основного дросселя насыщения напряжение (4, а выходом — ко входу включенсогласующийтрансформатор, пер- регулирующего транзистора 14. Дополнивичная обмотка которого включена соглас- . тельный выход по переменному току преоб1764127 разователя постоянного напряжения в переменное 8 подключен ко входам ключевых транзисторов 15, 16, коллекторы которых соединены через первые обмотки 17, 18 дополнительных дросселей насыщения 19, 20 с общей точкой соединения диода 11 и линейного дросселя 10, Эмиттеры ключевых транзисторов 15, 16 подключены ко второму зажиму дополнительного источника питания Uq», а вторые обмотки 21, 22 дополнительных дросселей насыщения 19, 20 соединены параллельные через дополнительные диоды 23, 24 к конденсатору 25, параллельно которому также подключен регулирующий транзистор 14.

Диод 11 может быть зашунтирован резистором 26. Рабочие обмотки 4, 5 основного дросселя насыщения 1 включены согласно, а его обмотки управления 6, 7— встречно.

Фиг. 2 — преобразователь постоянного напряжения в переменное 8 выполнен по схеме ключевого усилителя мощности с выходным трансформатором 27, сердечником

28, а его выходная обмотка 29 соединена с первой рабочей обмоткой 4 основного дрос селя насыщения 1 согласно, Фиг, 3- между входом выпрямителя 9 и рабочей обмоткой 5 основного дросселя насыщения 1 включен согласующий трансформатор 30 с сердечником 31, первичная обмотка 32 которого включена согласно со второй рабочей обмоткой 5 основного дросселя насыщения 1.

Фиг. 4 — обмотка 29 выходного трансформатора 27 преобразователя постоянного напряжения в переменное 8, рабочие обмотки 4, 5 дросселя насыщения 1 и первичная обмотка 32 согласуюшего трансформатора 30 включены согласно, Преобразователь постоянного напряжения в ток работает следующим образом.

Прй подаче напряжения питания U» на преобразователь постоянного напряжения в переменное 8 сердечники 2, 3 дросселя насыщения 1 начинают перемагничиваться, При этом наличие в цепи обмоток управления дросселя 10 предопределяет вынужденный режим перемагничивания, т,е, отсутствие состояния насыщения двух сердечников дросселя насыщения, При этом переменное напряжение подается на ключевые транзисторы 15, 16, которые попеременно в течение периода находятся в состоянии насыщения и режима отсечки. При открытом состоянии ключевого транзистора 15 или 16 сердечник дополнительного дросселя насыщения 19, 20 начинает намагничиваться и ток через ключевой транзистор 15 .определяется током холостого хода дросселя. При насыщении сердечника дополнительного дросселя 19 ток через ключевой транзистор 15 скачком увеличивается, вызывая отключение диода 11 и поступление

5 тока в линейный дроссель 10 и обмотки управления 6, 7 дросселя насыщения 1. При смене полярности управляющего напряжения на ключевых транзисторах 15, 16 начинает перемагничиваться до насыщения10 сердечник дополнительного дросселя насыщения 20. В это время энергии магнитного поля сердечника дополнительного дросселя насыщения 19 через обмотку 21, дополнительный диод 23 поступает в конденсатор

15 25. Изменением внутреннего сопротивления регулирующего транзистора 14 изменяется баланс запасенной и расходуемой энергии, поступаемой от дополнительных дросселей 19, 20. Тем самым фиксируется.

20 интервал перемагничивания (максималь= ный интервал перемагничивания О, +Bs), что, в свою очередь, определяет скважность работы ключевых транзисторов 15, 16 по передаче тока в линейный дроссель 10. В

25 интервале закрытого состояния (интервал перемагничивания дополнительного дросселя насыщения) открыт диод 11 и обеспечивается рекуперация энергии дросселя 10 в обмотки управления 6,7дросселя насыщеЗО ния 1. Таким образом, линейный дроссель выполняет две функции: элемента, сглаживающего переменную составляющую вто- рой гармоники и элемента ключевого стабилизатора, обеспечивающего накопле35 ние и передачу энергии в нагрузку (обмотки управления). При уменьшении тока через дроссель 10 требуется обеспечение непрерывного тока, что, в свою очередь, гарантирует режим вь1нужденного намагни;

40 чивания. Для этого сердечник линейного дросселя выполняется составным с параметрами сердечников, приведенных на фиг. . 6, это позволяет при малых токах иметь большое значение индуктивности, а при

45 больших, за счет насыщения первого сердечника, меньшую, но обеспечивающую режим вынужденного намагничивания. При сбросе нагрузки ток через обмотки управления 6,7 дросселя насыщения 1 должен быть

50 нулевым, однако этого не происходит из-за наличия диода 11. Из-за потерь в сердечнике линейного дросселя 10 возникает несимметричный режим нагрузки на обмотки 6, 7 дросселя насыщения 1. Для компенсации

55 несимметрии тока и исключении постоянной составляющей включен резистор 26, который в непроводящий полупериод для диода 11 образует дополнительный контур, компенсирует наличие контура в другой полупериод, что обеспечивает уменьшение

1764127 постоянной составляющей, а, следовательно, и работу на малых рабочих токах нагрузки. Величина токов намагничивания дополнительных дросселей насыщения незначительна и составляет единицы миллиампер (сердечник К7х3х2), что не влияет на характеристики устройства. Устранение дополнительных соединений дросселя насыщения к выходному трансформатору, согласующему трансформатору или выпрямителю (это особенно важно при больших

10 токах нагрузки 20-100 и более ампер) достигается намоткой общей обмотки на сердечники дросселя насыщения, входного трансформатора, согласующего трансформатора. При этом должно обязательно выполняться условие: рабочая индукция сердечника выходного трансформатора должна быть не менее индукции насыщения сердечника дросселя насыщения, т.е. Вр28,31 > В82,3 при $28,31=

= 2$2=2$3, где $28,з1; $2; $з — площадь сечения сердечника выходного трансформатора 28, согла20 сующего 31, дросселя насыщения 1

При таком условии достигается наиболее оптимальная форма интегрированного магнитного компонента, при котором внешние и внутренние диаметры сердечников равны, 30 а высоты отличаются вдвое для выходного трансформатора по отношению к сердечникам дросселя насыщения, т,е, п28 = п31 = 2п2 = 2пз = п2 + пз.

Формула изобретения

1. Преобразователь постоянного напряжения в постоянное, содержащий дроссель насыщения с двумя сердечниками и с расположенными на них рабочими обмотками и обмотками управления, преобразователь

40 постоянного напряжения в переменйое, выпрямитель, соединенный с выходными выводами, причем рабочие обмотки дросселя насыщения соединены последовательно и включены между выходом преобразователя ключенный одним выводом к одному из вы- 50 водов диода, а также узел управления насыщением дросселя насыщения, включающий в себя узел сравнения, одним из входов подключенный к выходным выводам, 55 другим — к источнику эталонного напряжения, а выходом.— к входу регулирующего транзистора, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД и надежности путем упрощения, введены два ключевых транзистора, два дополнительных дросселя постоянного .напряжения в переменное и 45 входом выпрямителя, линейный дроссель и диод, включенные последовательно с обмотками управления дросселя насыщения, дополнительный источник питания, поднасыщения С первой и второй обмотками и сердечниками, отношение Br/Bs которых равно нулю, два дополнительных диода и конденсатор,а преобразователь постоянного напряжения в переменное снабжен дополнительным выходом по переменному току, который подключен к входам ключевых транзисторов, коллекторы которых соединены через первые обмотки дополнительных дросселей насыщения с общей точкой. соединения диода и линейного дросселя, эмиттеры ключевых транзисторов подключены к второму выводу дополнительного источника питания, а вторые обмотки дополнительныхдросселей насыщения присоединены параллельно через дополнительные диоды к конденсатору, параллельно которому подключен регулирующий транзистор.

2. Преобразователь по и, 1, о т л и ч à юшийся тем, что рабочие обмотки основного дросселя насыщения включены согласно, а его обмотки управления включены встречно, 3. Преобразователь по пп. 1 и 2, о т л ич а ю шийся тем, что преобразователь постоянного напряжения в переменное выполнен по схеме ключевого усилителя мощности с выходнИм трансформатором, выходная обмотка которого соединена с первой рабочей обмоткой основного дросселя насыщения согласно и выполнена в виде единой обмотки, намотанной на расположенные соосно сердечник выходного трансформатора и сердечник основного дросселя насыщения;

4. Преобразователь по пп, 1 и 2, о т л ич а ю шийся тем, что указанное соединение рабочей обмотки с входом выпрямителя осуществлено через согласующий трансформа- тор, первичная обмотка которого включена согласно с второй рабочей обмоткой дросселя насыщения основного и выполнена в виде единой обмотки, намотанной на располо>кенные соосно сердечник согласующего трансформатора и сердечники основного дросселя насыщения, 5. Преобразователь по пп. 1-4, о т л ич а ю шийся тем, что обмотка выходного трансформатора преобразователя постоянного напряжения s йеременное, рабочие обмотки основного дросселя насыщейия и первичная обмотка согласующего трансформатора включены согласно и выполнены в виде единой обмотки, намотанной на расположенные соосно сердечйики выходного трансформатора преобразователя постоянного напряжения в переменное, сердечники основного дросселя насыщений и сердечник согласующего трансформатора.

1764127

6. Преобразователь по и. 1. о тл и ч а ю- дросселя выполнен составным из первого шийся тем, что диод зашунтирован вве- . сердечника с высокой магнитной проницае денным резистором. мостью и второго сердечника с малой маг7. Преобразователь по и. 1, о тл и ч а ю- нитной проницаемостью при близких шийся тем,.что сердечник линейного 5 значенияхиндукции насыщения Взуобоих, 1764127

1764127

Фиг. 7

1764127

Д

zs() s, sg

Qz) zy

4,5

Составитель В.Хандогин

Редактор М.Кузнецова Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор M.Êåðåöìàí

Заказ 3461 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