Двухтактный преобразователь постоянного напряжения

 

Использование: преобразование постоянного напряжения в системах вторичного электропитания. Сущность изобретения: преобразователь выполнен на двух управляемых в противофазе ключевых элементах 7, 8 и двух дросселях 2, 18, соединенных по мостовой схеме. В выходную диагональ этой схемы включен силовой трансформатор 4, вторичная обмотка которого через выпрямитель 5 подключена к выходным выводам 16,17. Блок управления 1 формирует выходные сигналы регулируемой длительности, поступающими в цепь управления ключевых элементов 7,8, причем эта длительность превышает половину периода напряжения на обмотках силового трансформатора 4. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 Н 02 М ЗИ37

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ :-.

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4910579(07 (22) 15.02.91 (46) 15.11.92. Бюл. М 42 (71) Центральный научно-исследовательский радиотехнический институт (72) H.È.Ñòóêoâíèí, В.И.Хандогин и

А,Н.Якушкин (56) Севернс P., Блум Г. Импульсные преобразователи напряжения для систем вторичного электропитания. Энергоатомиздат, 1988, стр.124, рис.6.4,б., Авторское свидетельство СССР

М 1394365, кл. Н 02 М 3/337, 1986. (54) ДВУХТАКТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ. И. 1775818 А1 (57) Использование. преобразование постоянного напряжения в системах вторичного электропитания. Сущность изобретения: преобразователь выполнен на двух управляемых в противофазе ключевых элементах

7, 8 и двух дросселях 2, 18, соединенных по мостовой схеме. В выходную диагональ этой схемы включен силовой трансформатор 4. вторичная обмотка которого через выпрямитель 5 подключена к выходным выводам 16, 17, Блок управления 1 формирует выходные сигналы регулируемой длительности, поступающими в цепь управления ключевых элементов

7, 8, причем эта длительность превышает половину периода напряжения на обмотках силового трансформатора 4. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1775818

Изобретение относится к источникам вторичного электропитания и может быть использовано для питания различной радиоэлектронной аппаратуры.

Известны двухтактные преобразователи постоянного напряжения, содержащие блок управления, дроссель соединенный одним выводом с первым входным выводом устройства, силовой трансформатор, выпрямитель, фильтр и два ключевых элемента, первые выводы которых объединены и соединены со вторым входным выводом, а вторые выводы ключевых элементов подключены к концам первичной обмотки силового трансформатора, вторичная обмотка которого через выпрямитель и фильтр соединена с выходными выводами устройства.

Недостатком известных устройств является наличие отвода от средней точки первичной обмотки силового трансформатора, что усложняет его конструкцию, ухудшает технологичность изготовления и повышает стоимость трансформатора, Напряжение на ключевых элементах в таких устройствах в два раза превышает напряжение, поступающее на среднюю точку первичной обмотки силового трансформатора (т,е, в два раза превышает входное напряжение преобразователя). Кроме того, большое влияние на работу таких устройств оказывает индуктивность рассеяния трансформатора, которая приводит к значительным выбросам напря. кения на ключевых элементах и заставляет использовать дополнительные элементы для разряда энергии, накапливаемой в индуктивности рассеяния. Все это усложняет схему преобразователя и ограничивает его массогабаритные и энергетические характеристики.

Наиболее близким к предложенномуявляется двухтактный преобразователь постоянного напряжения, содержащий два дросселя, каждый из которых первым выводом соединен с первым входным выводом преобразователя, а вторым выводом — с соответствующим выводом первичной обмотки силового трансформатора и через соответствующий ключевой элемент — со вторым входным выводом преобразователя, причем вторичная обмотка силового трансформатора через выпрямитель и фильтр соединена с выходными выводами преобразователя, и блок управления. Недостатком этого устройства является относительная сложность схемы преобразователя и организации управления ключевыми элементами.

Целью изобретения является упрощение двухтактного преобразователя постоянного напряжения.

Поставленная цель достигается тем, что в двухтактном преобразователе постоянного напряжения, содержащем два дросселя, каждый иэ которых первым выводом соединен с первым входным выводом преобразователя, а вторым вы водом — с соответствующим выводом первичной обмотки силового трансформатора и через соответствующий ключевой элемент — со вторым входным выводом преобразователя, причем вторичная обмотка силового трансформатора через выпрямитель и фильтр соединена с выходными выводами преобразователя, и блок управления, блок управления выполнен с формирователем на его выходе сигнала отпирания ключевого элемента длительностью более половины периода, а фильтр выполнен в виде конденсатора, включенного между выходными выводами преобразователя, Каждый ключевой элемент выполнен на двух транзисторах, соединенных между собой эмиттерами и коллекторами, а базами подключенными соответственно к первому и второму управляющему входу ключевого элемента.

Блок управления содержит задающий генератор, фазосдвигающее устройство усилитель постоянного тока, компаратор, делитель напряжения, элемент опорного напряжения и два предварительных усилителя мощности с управляющими трансформаторами, вторичные обмотки которых выполнены с отводом от средней точки и подключены к выходам блока управления, при этом концы вторичной обмотки управляющего трансформатора первого усилителя мощности соединены с первыми управляющими входами. ключевых элементов, а концы вторичной обмотки управляющего трансформатора второго усилителя мощности соединены со вторыми управляющими входами ключевых элементов, а отводы от средних точек вторичных обмоток управляющих трансформаторов соединены со вторым входным выводом преобразователя, выход задающего генератора соединен со входом первого усилителя мощности непосредственно, а со входом второго усилителя мощности — через фазосдвигающее устройство, управляющий вход которого соединен с выходом усилителя постоянного тока, входом подключенного к выходу компаратора, входы которого подключены к элементу опорного напряжения и к делителю напряжения, крайние выводы которого являются измерительными входами блока управления.

На фиг.1 представлена структурная схема двухтактного преобразователя лостоян1775818

7, 8, а базы подключены соответственно к 40

/ / // // первому 19, 20 и второму 19, 20 управляющему входу ключевого элемента 7, 8.

Кроме того, блок управления 1 (см. фиг.3) содержит задающий генератор 27, фазосдвигающее устройство 28, усилитель 45 постоянного тока 29, компаратор 30, делитель напряжения 31. элемент опорного напряжения 32 и два предварительных усилителя мощности 33, 34 с управляющими трансформаторами 35, 36, вторичные обмотки 37, 38 которых выполнены с отводом от средней точки и подключены к выходам

21,22,21, 22",блока управления 1 (см.фиг,2,3),При этом концы 21, 22 вторичной обмотки 37 трансформатора 35 первого усилителя: 33 соединены с первыми управляющими входами 19, 20 ключевых элементов 7, 8, а концы 21", 22 вторичной обмотки 38 трансформатора 36 второго усилителя 34 соединены со вторыми управляюного напряжения; на фиг.2 — вариант выполнения устройства с ключевыми элементами на транзисторах; на фиг.3 — вариант выполнения блока управления, Двухтактный преобразователь постоянного напряжения содержит блок управления 1, дроссель 2, соединенный первым выводом с первым входным выводом 3 устройства, силовой трансформатор 4, выпрямитель 5, фильтр 6 и два ключевых элемента

7, 8, первые выводы 9, 10 которых объединены и соединены со вторым входным вы водом 11, а вторые выводы 12, 13 ключевых элементов 7, 8 подключены к соответствующим выводам первичной обмотки 14 силового трансформатора 4, вторичная обмотка

15 которого через выпрямитель 5 и фильтр

6 соединена с выходными выводами 16, 17 устройства. К выводам 16, 17 подключается нагрузка преобразователя напряжения.

Второй дроссель 18 соединен первым выводом с первым входным выводом 3, при этом вторые выводы первого 2 и второго 18 дросселя подключены к соответствующим выводам первичной обмотки 14 силового трансформатора 4. Управляющие входы 19, 20 ключевых элементов 7, 8 соединены с выходами 21, 22 блока управления 1, обеспечивающего на своем выходе сигнал отпирания ключевого элемента длительностью более половины перисда. Фильтр 6 выполнен в виде конденсатора, Кроме того, ключевые элементы 7, 8 (cM. фиг.2) выполнены на транзисторах 23 — 26, причем каждый ключевой элемент 7 и 8 содержит два транзистора 23, 24 и 25, 26 эмиттеры и коллекторы которых объединены и являются соответственно первым 9, 10 и вторым 12, 13 выводом ключевого элемента

// // I щими входами 19, 20 кл«очевых элементов 7, 8. Отводы от средних точек вторичных обмоток 37, 38 трансформаторов 35, 36 первого 33 и второго 34 усилителей соединены со вторым входным выводом 11, Выход задающего генератора 27 соединен со входом первого усилителя 33 непосредственно, а со входом второго 34 — через фазосдвигающее устройство 28, управляющий вход которого соединен с выходом усилителя постоянного тока 29, входом подключенного к выходу компаратора 30, входы которого подключены к элементу опорного напряжения 32 и к делителю напряжения 31, крайние выводы которого являются измерительными входами 39, 40 блока управления 1, Входы 39, 40 блока управления 1 могут быть подключены к выходным выводам 16, 17 преобразователя напряжения (см. фиг.1, 2), Выпрямитель 5 может быть выполнен по любой из известных схем, например, по мостовой схеме. В базовые цепи транзисторов 23 — 26 ключевых элементов 7, 8 могут быть включены ограничительные резисторы (см. фиг.2).

Задающий генератор 27 может быть выполнен по любой из известных схем, например, по схеме автогенератора с магнитными связями.

Усилитель постоянного тока 29 и компаратор 30 могут быть реализованы с помощью операционного усилителя. например, на микросхеме типа 140УД8А.

Делитель напряжения 31 может быть выполнен на резисторах, элемент опор «ого напряжения 32 — на стабилитроне с ограничительным резистором, подклю «енных K выходным выводам 16, 17, Усилители 33 и 34 могут быть выполнены по любой иэ известных схем, например, по двухтактной, Фазосдвигаю цее устройство 28 может быть выполнено на интегральных микросхемах серии 564, Двухтактный преобразователь.постоянного напряжения на фиг.1 работает следующим образом. При подаче входного напряжения на выводы 3, 11 ключевые элементы 7, 8 попеременно находятся в двух квазистатических состояниях; открыт, закрыт, причем длительность (интервал времени) открытого состояния может быть больше или равна длительности закрытого состояния. При этом управляющие импульсы на выходах 21, 22 взаимно противофазны со сдвигом íà T/2. При управляющих импульсах типа "меандр" (интервал включенного состояния равен интервалу выключенного состояния ключев- х элементов 7, 8) отсутствует режим и;,рекръпи» и

1775818 интервалы накопления энергии дросселей

2, 18 по цепям: входные выводы 3,11, ключевые элементы 7,8.дроссели 2,18, равны с интервалом разрядов этих дросселей 2, 18 через первичную обмотку 14 трансформатора 4, выпрямитель 5 и нагрузку, параллельно которой подключен конденсатор 6, При этом на обмотке 14 трансформатора 4 наводится прямоугольное напряжение. В таком режиме необходимость в элементе накопления — конденсаторе 6 — отсутствует. Изменение длительности проводящего состояния предопределяет образование режима "перекрытия", т.е. режима одновременного проводящего состояния двух ключевых элементов

7, 8, а на обмотке 14 трансформатора 4 образуется "пауза", при которой постоянство выходного напряжения поддерживается емкостным фильтром-конденсатором 6, Режим заряда дросселя происходит следующим образом: при открытом состоянии ключевых элементов 7, 8 (режим перекрытия) происходит заряд дросселей 2, 18 через открытые ключевые элементы 7, 8. Затем при запирании одного из ключевых элементов происходит переключение тока дросселя от ключевого элемента к обмотке 14 трансформатора (т.е. происходит его разряд), при этом заряд дросселя продолжается, а разрядный ток протекает coBMBGTHo с зарядным. То есть форма напряжения на обмотке 14 имеет форму симметричных 2-х полярных импульсов с "паузой на нуле" с напряжением

U14 = Hex

1 — q

Твкв где q= — = 05

Т

0вых = П 014, где Твко — длительность включенного состояния ключевого элемента;.

Т вЂ” период управляющего напряжения; 15

n = . — коэффициент трансформации трансформатора 4.

Формирование таких сложных противофазных и сдвинутых на Т/2 управляющих импульсов может быть упрощено применением сложных ключевых элементов 7, 8 на транзисторах 23 — 26 (т,е. 23, 24 и 25, 26),, включенных параллельно, При этом транзисторы 23 и 25 ключевых элементов 7, 8 под ключаются к выходам 22 и 21 блока управления 1, формирующих сигнал прямоугольной формы типа "меандр", а транзисторы 24 и 26 ключевых элементов 7, 8 подключаются к выходам 21 и 22, блока управления 1, формирующих сигнал прямоугольной формы типа "меандр", но сдвинутый по фазе етносительно первого сигнала

45 ратора 30 через усилитель постоянного тока

29 поступает на фазосдвигающее устройст. во 28. При этом напряжение прямоугольной формы (типа "меандр") с выхода задающего генератора 27 поступает на предваритель50 ный усилитель мощности 33 непосредственно, а усилитель 34 через фазосдвигающее устройство 28. Причем фаза напряжения нэ усилителе 34 изменяется в зависимости от уровня выходного напряжения. Таким образом, напрях<ения, поступающие с выходов усилителей 33 и 34 через трансформаторы

35 и 36 соответственно на выходы 21, 22 и

21, 22 блока управления 1, имеют фазовый сдвиг, зависящий от уровня выходного напряжения преобразователя напряжения, 10

// // (выходы 22 и 21 ). При этом достигается эквивалентное регулирование проводящего состояния ключевых элементов 7, 8 от половины периода управляющего сигнала до практически полного периода управляющего сигнала. Такое выполнение ключевого элемента позволяет разнести по элементарным ключам-транзисторам (23, 24; 25, 26) динамические потери — причем потери при включении приходятся на первую пару, например 23, 25; а потери на выключения — на

24, 16. Это связано с тем, что в ключевом элементе 7 и 8 сначала включается транзистор 23 (24) затем при проводящем состоянии этого -транзистора включается следующий транзистор 25 (26) (т.е. его потери при включении равны нулю). Затем происходит выключение этого транзистора.

Такое выполнение ключевого элемента 25 (26) позволяет оптимизировать управляющие цепи: т,е. для одного транзистора ключевого элемента обеспечить оптимизацию форсированного базового тока включения, а для другого форсированного или оптимально спадающего запирающего базового тока.

Это обеспечивает минимизацию потерь в ключевом элементе, а постоянство скважности работы q = 2 (простейший управляющий сигнал) обеспечивает упрощенный режим базовых цепей при любых режимах регулирования или стабилизации, Схема выполнения такого устройства приведена на фиг.2, а блок управления на фиг.3. При этом расчетные соотношения для Овых не изменяются, Стабилизация выходного напряжения осуществляется за счет изменения времени

"перекрытия" путем изменения фазового

/ сдвига между напряжениями на выходах 21, 22 и 21., 22" блока управления 1.

В блоке управления 1 выходное напряжение, поступающее с входов 39, 40 через делитель напряжения 31 на компаратор 30, сравнивается с напряжением элемента опорного напрях<ения 32. С выхода компа1775818

При воздействии дестабилизирующих факторов (например. изменение входного напряжения U»<) изменение выходного напряжения приводит к изменению фазового сдвига между напряжениями на выходах 5 блока управления 1 и изменению времени

"перекрытия" ключевых элементов 7, 8 так, чтобы выходное напряжение оставалось неизмен н ым.

В предложенном преобразователе пер- 10 вичная обмотка 14 трансформатора 4 не имеет отвода, что упрощает его конструкцию, улучшает технологичность и снижает стоимость его изготовления, Кроме того, напряжение на обмотке 14 не превышает 15 входное напряжение 0, т.е, в два раза меньше, чем в известных устройствах, следовательно число витков в этой обмотке также в два раза меньше, что приводит к уменьшению влияния индуктивности рассе- 20 яния трансформатора на работу преобразователя, и улучшению его массогабаритных и энергетических показателей, Напряжение на ключевых элементах 7, 8 по сравнению с известными устройствами также снижено в 25 два раза. При этом повышается КПД устройства. Кроме того, уменьшаются выбросы напряжения на ключевых элементах (т.к, уменьшена индуктивность рассеяния трансформатора) и могут быть исключены допол- 30 нительные элементы для разряда энергии, накапливаемой в индуктивности рассеяния.

Таким образом данное техническое решение позволяет упростить двухтактный преобразователь постоянного напряжения. 35

Формула изобретения

1. Двухтактный преобразователь постоянного напряжения, содержащий два дросселя, каждый иэ которых первым выводом соединен с первым входным выводом пре- 40 образователя, а вторым выводом — с соответствующим выводом первичной обмотки силового трансформатора и через соответствующий ключевой элемент — с вторым входным выводом преобразователя, причем 45 вторичная обмотка силового трансформатора через выпрямитель и фильтр соединена с выходными выводами преобразователя, и блокуправления,отличающийся тем, что, с целью упрощения, блок управления выполнен с формированием на его выходе сигнала отпирания ключевого элемента длительностью более половины палупериода, а фильтр выполнен е виде конденсатора, включенного между выходными выводами преобразователя.

2. Преобразователь по п,1, о т л и ч а юшийся тем, что каждый ключевой элемент выполнен на двух транзисторах, соединенных между собой эмиттерами и коллекторами, а базами, подключенными соответственно к первому и второму управляющим входам ключевого элемента, 3. Преобразователь напряжения по п,2, о тл и ч а ю шийся тем, что блок управления содержит. задающий генератор, фазосдвигающее устройство, усилитель постоянного тока, компаратор, делитель напряжения, элемент опорного напряжения и два предварительных усилителя мощности с управляющими трансформаторами, вторичные обмотки которых выполнены с отводом от средней точки и подключены к выходам блока управления, при этом концы вторичной обмотки управляющего трансформатора первого усилителя мощности соединены с первыми управляющими входами ключевых элементов, концы вторичной обмотки управляющего трансформатора второго усилителя мощности соединены с вторыми управляющими входами ключевых элементов, а отводы от средних точек вторичных обмоток управляющих трансформаторов соединены с вторым входным выводом преобразователя, выход задающего генератора соединен с входом первого усилителя мощности непосредственно, а с входом второго усилителя мощности — через фазосдвигающее устройство, управляющий вход которого соединен с выходом усилителя постоянного тока, входом подключенного к выходу компаратора, входы которого подключены к элементу опорного напряжения, и к делителю напряжения, крайние выводы которого являются измерительными входами блока управления, 1775818

ФигЗ

Составитель H.Ñòóêîâíèí

Техред М.Моргентал, Корректор Н.Слободяник

Редактор Т.Иванова I

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

Заказ 4039 Тираж Подписное

8НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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