Преобразователь постоянного напряжения

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания. Целью изобретения является повышение надежности работы преобразовательного устройства. Преобразователь выполнен в виде нерегулируемых двухтактных преобразователей 1 с выходом на постоянном токе, соединенных между собой параллельно по входу и выходу. В состав блока управления входят генератор тактовых импульсов 9, распределитель импульсов 10 и N идентичных узлов формирования управляющих сигналов, содержащих два датчика коллекторного напряжения 23, 24, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 25 и два элемента И 17, 20, выходами связанных с управляющими входами транзисторных ключей 15, 16. В отличие от известного , преобразователь снабжен двумя элементами задержки 11, 12, а каждый узел формирования управляющих сигналов снабжен элементом НЕ 26, элементом 2ИС

СОВХОЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИЛЛИСТИ -! ЕСКИХ

РЕСПУБлик (5!)5 Н 02 M 7/48

I ОСУДАРСТВЕННЫй КОМИТЕТ

IIQ ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ОО О З

С» 3

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4793727/07 (22) 20.02.90 (46) 30.11.92, Бюл. ¹ 44 (71) Научно-производственное объединение

"Старт" и Рязанский радиотехнический институт (72) К.А.Абин, В.Е.Болтнев, А.А.Голованчиков, В.В. Кандлин и А.В. Макаров (56) Моин В.С., Лаптев И.И. Стабилизированные транзисторные преобразователи.—

М.: Энергия, 1972 (рис, 11-8,г).

Костиков А,Г., Никитин И.Е. Источники электропитания высокого напряжения РЭА. — M. Радио и связь, 1986 (рис. 1.59).

Авторское свидетельство СССР

¹ 1695471, кл. Н 02 М 7/48, 1990. (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО

НАПРЯЖЕНИЯ (57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках

„„. Ж„„1778900 А1 вторичного электропитания. Целью изобретения является повышение надежности работы преобразовательного устройства.

Преобразователь выполнен в виде нерегулируемых двухтактных преобразователей 1 с выходом на постоянном токе, соединенных между собой параллельно по входу и выходу. В состав блока управления входят генератор тактовых импульсов 9, распределитель импульсов 10 и N идентичных узлов формирования управляющих сигналов, содержащих два датчика коллекторного напряжения 23, 24, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ

ИЛИ 25 и два элемента И 17, 20, выходами связанных с управляющими входами транзисторных ключей 15, 16. В отличие от известного, преобразователь снабжен двумя элементами задержки 11, 12, а каждый узел формирования управляющих сигналов снабжен элементом НЕ 26, элементом 2И1778900

НЕ 28, элементом 2 ИЛИ 32 и RS-триггером

29. Распределитель импульсов выполнен в виде 2N 0-триггеров 10, соединенных между собой особым образом. Выход элемента

ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 25 подключен ко входу элемента НЕ 26, выход которого соединен со входом элемента 2И-НЕ 28, Второй вход этого элемента подключен к выходу элемента 2 ИЛИ 32, а выход — к установочному входу RS триггера 29. Установочный R

И"-обретение относится к области электротехнике и может быпгь использовано в устройствах преобразовательной техники и источниках вторичного электропитания, Известен двухтактный конвертор, выполненный по схеме параллельного включения двухтактных нерегулируемых преобразовательных ячеек (ПЯ), например, работающих со взаимным сдвигом фаз, каждая из которых содержит трансформатор, транзисторные ключи и выпрямительный мост с общим емкостным фильтром. Такое включение преобразовательных ячеек позволяет существенно уменьшить энергоемкость выходного конденсаторного фильтра.

Недостатком такого включения преобразовательных ячеек является то, что процессы рассасывания избыточного заряда в диодах выходных выпрямителей лишь форсируются (уменьшается их длительность, но увеличивается амплитуда обратного тока через запирающие диоды), что обусловливает импульсную перегрузку по току диодов выпрямителей и транзисторных ключей ПЯ как коммутлрующихся так и всех других и снижает КПД и надежность.

Наиболее близким по существу технического решения является преобразователь напряжения, выполненный по дифференциальной схеме двухтактного инвертора, причем управляющие входы силовых транзисторных ключей связаны с выходами двух элементов типа И (И-НЕ), первые входы которых подключены к противофазным выходам генератора тактовых импульсов прямоугольной формы типа "меандр", а второй и третий входы попарно обьединены и подклк>чены к обкладкам конденсатора. Одна из обкладок конденсатора подключена к выходу источника логического управляющего сигнала. а другая его обкладка через резистор подключена к выходу элемента ИСКЛ ЮЧАШОЩЕЕ ИЛИ, Входы элемента

30 вход RS-триггера 29 соединен с выходом второго элемента задержки 12, а выход Q— со вторыми входами элементов И 17, 20, первые входы которых дополнительно подключены ко входам элемента 2 ИЛИ 32. Выполненный таким образом блок управления обеспечивает срабатывание схемы защиты преобразователя без задержки, что повышает надежность его работы, 3 ил.

ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединены с четвертыми входами элементов И (И-НЕ) и подключены к выходам двух идентичных измерительно-согласующих элементов, вход каждого из которых связан с точкой соединения первичной полуобмотки трансформатора и силового транзисторного ключа, Управляющие входы силовых транзисторных ключей связаны с выходами элементов 4И.

Недостатком данного преобразователя напряжения является принципиальная задержка момента срабатывания схемы защиты, обусловленная RC-цепочкой в выходной цепи элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Кроме того, преобразователь теряет работоспособность при введении нулевых пауз в выходном напряжении.

Целью изобретения является повышение надежности преобразователя напряжения.

Известный преобразователь постоянного напряжения, содер>кит N нерегулируемых двухтактных преобразователей с выходом на постоянном токе, соединенных между собой параллельно по входу и выходу, каждый из которых включает в себя трансформатор и два силовых транзисторных ключа. Блок управления включает генератор тактовых импульсов, распределитель импульсов и N идентичных узлов формирования управляющих сигналов, Указанные узлы включают датчики коллекторного напряжения силовых транзисторных ключей, выходами подключенные ко входам элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и два элемента И, первые входы которых подключены к двум управляющим входам нерегулируемого двухтактного преобразователя, а выходы связаны с управляющими входами его силовых транзисторных ключей, В отличие от известного, и преобразователь введены два элемента задержки, каждый узел формиро1778900

55

40 вания управляющего сигнала снабжен элементом НЕ, элементом 2ИЛИ элементом

2И-НЕ и RS триггером. Распредегитель импульсов выполнен в виде 2N 0 триггеров, счетные С входы которых подключены к выходу генератора тактовых импульсов, выход

Q каждого i-ro О-триггера, где i = 1, 2„,.N соединен с входом 0 I+1-го D-триггера и первым управляющим входом i-го нерегулируемого двухтактного преобразователя, Выход Q N+i-го D-триггера соединен с входом D N+i+1-ro 0-триггера и вторым управляющим входом i-го преобразователя.

Выход 0 последнего 2N D-триггера соединен с входом 0 первого D-триггера. Установочные входы R первых N-1 D òðèãгеров соединены с установочными входами S последующих И+1 D-триггеров и подключены к выходу первого элемента задержки, объединенного со входом второго элемента задержки. Выход элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ

ИЛИ через элемент НЕ связан с первым входом элемента 2И-НЕ, второй вход которого подключен к выходу элемента 2ИЛИ, а выход — к установочному S входу RS-триггера, установочный R вход которого соединен с выходом второго элемента задержки, Выход Ц RS триггера объединен со вторыми входами элементов И (2И-НЕ), первые входы которых дополнительно подключены ко входам элемента 2ИЛИ.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены: на фиг. 1 — принципиальная схема преобразователя постоянного напряжения, на фиг. 2 — принципиальная схема нерегулируемого двухтактного преобразователя с выходом на постоянном токе; на фиг. 3 — временные диаграммы, поясняющие принцип действия преобразователя.

Преобразователь постоянного напряжения (cM.ôèã.1), выполнен B виде N нерегулируемых двухтактных преобразователей 1 с выходом на постоянном токе, подключенных ко входу к общим шинам 2, 3 питания.

Выходы всех нерегулируемых двухтактных преобразователей 1 подключены к общим зажимам нагрузки 4, 5. Каждый нерегулируемый двухтактный преобразователь 1 имеет два управляющих входа б, 7 и установочный вход 8, Блок управления преобразователем включает генеоатор тактовых импульсов 9, подключенный к счетным С входам 2N Dтриггеров 10. Выход Q i-го D-триггера 10 соединен с входом D i+1-го D-триггера 10:и управляющим входом 6 i-ro нерегулируемого двухтактного преобразователя 1. Выход

Q К+ -го D-триггера 10 соединен с входом 0

N+I+1-го 0-триггера 10 и управляющим входом 7 того же нерегулируемого двухтактиого преобразователя 1. Выход Q 2N-ro Отриггера 10 подключен ко входу 0 первого

D-триггера 10 и входу 7 N-ro нерегулируемого двухтактного преобразователя 1. Выход элемента задержки 11, который в простейшем случае может представлять собой интегрирующую RC цепь, соединен со входом аналогичного элемента задержки 12 и входами R первых N-1 D-триггеров 10 и входами

S последующих N+1 D-триггеров 10, Выход элемента задержки 12 подключен к установочным входам 8 всех нерегулируемых двухтактных преобразователей 1, Силовая часть каждая нерегулируемого двухтактного преобразователя 1 содержит трансформатор

13, выпрямительный мост 14, два идентичных силовых транзисторных ключа 15 и 16, причем первичная обмотка трансформатора

13 и силовые транзисторные ключи 15 и 16 включены по известной дифференциальной схеме (схеме со средней точкой) инвертора.

Управляющие входы транзисторных ключей 15 и 16 подключены соответственно к выходам двух управляющих элементов 2ИНЕ 17 с управляющими входами 18, 19 и 20 управляющими входами 21, 22, Входы датчиков коллекторного напряжения 23 и 24 подключены к транзисторным ключам 15 и

16, а их выходы — ко входам элемента 25

ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого через элемент НЕ 26 подключен ко входу 27 элемента 2И-Н Е 28. Выход элемента 2И-Н Е

28 подключен к установочному входу S триггера 29, установочный вход R которого подключен к установочному входу 8 нерегулируемого двухтактного преобразователя 1. Выход RS триггера 29 соединен с входом 18 элемента 2И-HE 17 и входом 21 элемента 2И-НЕ 20. Вход 19 элемента 2ИНЕ 17 обьединен со входом 30 элемента

ИЛИ 32 и подключен к управляющему входу нерегулируемого двухтактного преобразователя 1. Вход 22 элемента 2И-НЕ 20 соединен со входом 33 элемента ИЛИ 32 и подключен к управляющему входу 6, Выход элемента ИЛИ 32 подключен ко входу 34 элемента 2И-НЕ 28. Силовые транзисторные ключи 15, 16 и датчики коллекторного напряжения 23, 24 могут быть использованы любого типа, например описанные в (3).

Рассмотрим работу преобразователя

После подачи питающего напряжения начинает работать генератор тактовых импульсов 9. Для простоты рассмотрен вариант параллельного включения трех нерегулируемых двухтактных преобразователей 1, С выхода элемента задержки 11 импульс 011 установит в единичное состояние первые два D-триггера 10 (N = 3) и в нулевое состояние последующие (N+1) четыре 0-s риггера

1778900

10 (см.фиг,3), Тактовые импульсы Ug осуществляют перезапись информации из одного

0-триггера 10 в другой. В результате этого на выходах 0-триггеров !0, образующих кольцевой регистр сдвига, появляются последовательности импульсов Оо, Оо>, Uo которые подают на управляющие входы 6 и 7 каждого нерегулируемого двухтактного преобразователя 1. При этом на первый нерегулируемый двухтактный преобразователь подают импульсы с выходов Q первого и четвертого 0-триггеров 10 Ua и

О> 04 °

В интервале времени т1-12 происходит отпирание силового транзисторного ключа

15. В момент времени tz через него начнет

I протекать ток I> /2 (I>< — приведенный ток нагрузки), так как в это время включены первый и второй нерегулируемые двухтактные преобразователи 1. Напряжение на коллекторе транзисторного ключа 15 будет равно Ок, а на коллекторе ключа 16 — (2Et> — UKH), В момент времени 1з прекращается подача отпирающего напряжения на базу транзисторного ключа 15 и начинается процесс рассасывания неосновных носителей.

Одновременно начинается отпирание одного из транзисторных ключей третьего нерегулируемого двухтактного преобразователя

1.. После его полного отпирания, ток текущий через открытые транзисторные ключи всех трех нерегулируемых двухтактных преобразователей 1 станет равным IH /3. В момент времени 14 заканчивается процесс рассасывания неосновных носителей в базе транзисторного ключа 15 первого нерегулируемого двухтактного преобразователя 1 и он закрывается, при этом в первичной обмотке трансформатора 13 возникает ЭДС самоиндукции. Напряжение на коллекторе транзисторного ключа 15 станет приблизительно равным 2Ег, а на коллекторе транзисторного ключа 16 — "0", При этом оба СТК останутся закрытыми, При подаче на базу транзисторного ключа 16 отпирающего напряжения он откроется и напряжение на его коллекторе станет равным U«, а ток I н /3, так как в это время останется открытым один из транзисторных ключей второго нерегулируемого двухтактного преобразователя 1 из-за рассасывания неосновных носителей в его базе. Через время г2 > тф . (тф — длительность фронта напряжения на транзисторном ключе) производится подача высокого логического уровня с выхода элемента задержки через установочный вход 8 на вход R триггера 29. Подача единичного уровня UIz включает схему защиты. Задержка включения схемы защиты производится

55 на время переходных процессов в момент включения преобра30в3теля пос1оянного напряжения.

Работу схемы защиты рассмотрим для случая использования в качестве датчиков коллекторного напряжения 23, 24 эмиттерного повторителя, При превышении некоторого порогового напря>кения на его входе на выходе появляется уровень логической

"единицы" (3). При возникновении неисправностей в схеме преобразователя, например, выходе из строя одного из транзисторных ключей 15 или 16 неисправности в блоке управления, или в силу какихлибо еще причин, например перегрузки, оба силовых транзис орных ключа 15, 16 окажутся одновременно закрытыми или открытыми, Это вызовет появление на выходах датчиков коллекторного напряжения 23, 24, связанных со входами элемента ИСКЛЮЧА1ОЩЕЕ ИЛИ 25 одинаковых логических уровней, что переведет его в нулевое состояние. В результате этого на выходе элемента НЕ 26 появится логическая единица, которая через элемент 28 2И-HE поступит на вход $ триггера 29 и опрокинет его в

"нулевое" состояние. "Нулевой" уровень на выходе Q триггера 29 вызовет блокирование управляющих элементов 2И 17 и 20 и появление на их выходах запирающего "нулевого" уровня, что вызовет запирание транзисторных ключей 15, 16, Известно, что "пробой" полупроводникового р-и перехода имеет две стадии развития: электрический неразрушающий пробой и тепловой разрушающий пробой, причем первая стадия обязательно предшествует второй. В результате развития первой стадии пробоя, напряжение на коллекторе транзистора уменьшается, что неизбежно вызывает соответствующую перегрузку по току другого открытого транзисторного ключа и его выход из режима насыщения. В результате происходит срабатывание схемы защиты и запирание обоих транзисторных ключей, предотвращая переход электрического пробоя в необратимый тепловой. На основании вышеизложенного очевидно, что предлагаемая схема преобразователя постоянного напряжения реализует функции автоматической диагностики неисправностей элементов силовой цепи и защитного запирания СТК, предотвращая их выход из строя и необходимость их последующей замены в процессе ремонта. После устранения причин вызвавших защитное отключение преобразователя его работоспособность сохраняется и он может снова включен путем повторной подачи питающего напряжения, 1778900

В интервале времени t4-tg, во время паузы, когда оба транзисторных ключа 15 и 16 закрыты, как было показано выше, происходит изменение напряжений на коллекторах этих ключей, что приводит к одновременно- 5 му появлению на выходах датчиков коллекторного напряжения 23 и 24 одинаковых логических уровней, что в свою очередь обусловливает наличие "нулевых" пауз на выходе элемента 25 ИСКЛ ЮЧАЮ ЩЕ Е ИЛИ. 10

Это может вызвать ложное срабатывание схемы защиты. Чтобы этого не происходило, на время паузы схемы защиты отключается импульсами 034 нулевого уровня (см.фиГ,З) подаваемыми на вход 34 элемента 2И-НЕ 15

28, которые получаются путем логического сложения управляющих напря>кений Ug и

0д,1 подаваемых на входы 30, 33 элемента

32. Таким образом схема защиты оказывается готовой к работе в течение всего рабо- 2О чего хода преобразователя.

Формула изобретения

Преобразователь постоянного напря25 жения, содержащий N нерегулируемых двухтактных преобразователей с выходом на постоянном токе, соединенных между собой параллельно по входу и выходу, каждый из которых включает в себя трансформатор и два силовых транзисторных ключа и блок управления, включающий генератор тактовых импульсов, распределитель импульсов и N идентичных узлов формирования управляющих сигналов, включающих датчики коллекторного напряжения упомянутых силовых транзисторных ключей, подключенные выходами к входам элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и два элемента И, первые входы которь х подключены к двум 4О управляющим входам соответствующего нерегулируемого двухтактно о преобразователя, а выходы связаны с управляющими входами его силовых транзисторных кл очей, отличающийся тем, что с целью повышения надежности, блок управления преобразователем снабжен двумя элементами задержки, каждый узел формирования управляющих сигналов снабжен элементом

НЕ, элементом 2ИЛИ, элементом 2И-НЕ и

RS-триггером, а вышеупомянутый распределитель импульсов выполнен в виде 2N

D-триггеров, счетные С-входы которых подключены к выходу генератора тактовых импульсов, выход Q каждого i-го D-триггера, где! = 1,2,...,N, соединен с входом D (I+1)-ro

D-триггера и первым управляющим входом

i-ro нерегулируемого двухтактного преобразователя, выход Q (N+i)-го D-триггера соединен с входом D (М-Ч+1)-ro 0-триггера и

BTopblM управляющим I-co нерегулируемого двухтактного преобразователя, при этом выход Qпоследнего,,2N-ro 0-триггера соединен с входом D первого D-триггера, установочные R входы первых N-1 D-триггеров и установочные S-входы остальных (К+1) Dтриггеров подключены к выходу первого элемента задержки, соединенному с входом второго элемента задер>кки, причем выход вышеупомянутого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ в каждом узле формирования управляющих си".íàëîâ подключен к входу элемента НЕ, выходом соединенного с первым входом элемента 2И-НЕ, второй вход которого подключен к выходу элемента 2

ИЛИ, выход — к установочному S-входу упомянутого RS-триггера, установочный R-вход которого соединен с выходом второго элемента задержки, а выход 0 — с вторыми входами элементов И, первые входы которых дополнительно подключены ко входам элемента 2ИЛИ.

17?8900

Редактор

Заказ 4201 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

Ug

U)

0)

gal . Ug

Ug ay

Uq

Составитель А,Чесноков

Техред М,Моргентал Корректор Н.Король