Двухтактный преобразователь напряжения

 

Использование: для питания различных радиотехнических устройств. В преобразователе Достигаются повышение КПД и расширение области применения за счет введения в каждое плечо цепочки из последовательно соединенных диодов 13, 14 и 15. 16 цепочки из параллельно соединенных резистора 23,24 и диода 25,26 транзисторно тоключа 21, 22 и двух диодов 17, 19. В преобразователе реализуются эмиттерная коммутация и пропорционально-токовое управление силовыми транзисторами 2,3, включенными по схеме с общей базой. Это повышает быстродействие и снижает потери мощности в силовых транзисторах. Кроме того, реализуются автоколебательный режим работы преобразователя и возможность регулирования и стабилизации частоты преобразования. 6 з.п.ф-лы, 2 ил,

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5!)5 Н 02 M 7/538

ГОСУДАРСТВЕ1+ЮЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ,К ПАТЕНТУ

2 (21) 5005895/07 (22) 04,07.91 (46) 07.06.93. Бюл. М 21 (71) Центргльный научно-исследовательский радиотехнический институт (72) В.И.Хандогин, А.Н.Якушкин и H.È.Ñòóковнин (73) Центральный научно-исследовательский радиотехнический институт (56) Электропитание устройств связи, под ред. В.Е.Китаева, М.: Радио и связь. 1g88, с.140, рис.7.1 а, с. 146, рис. 7.4а.

Авторское свидетельство СССР

М 1164835, кл. H 02 M 3/335, 1987. (54) ДВУХТАКТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

НАПРЯЖЕНИЯ (57) Использование: для питания различных радиотехнических устройств. В преобразо„„. Ж„„ 1820988 А3 вателе достигаются повышение КПД и расширение области применения за счет введения в каждое плечо цепочки из последовательно соединенных диодов 13, 14 и 15, 16 цепочки из параллельно соединенных резистора 23, 24 и диода 25, 26 транзисторного-ключа 21, 22 и двух диодов 17, 19. В преобразователе реализуются эмиттерная коммутация и пропорционально-токовое управление силовыми транзисторами

2,3, включенными по схеме с общей базой.

Это повышает быстродействие и снижает потери мощности в силовых транзисторах.

Кроме того, реализуются автоколебательный режим работы преобразователя и возможность регулирования и стабилизации частоты преобразования. 6 з.п.ф-лы, 2 ил.

1820988

Изобретение относится к источникам вторичного электропитания и может быть использовано для питания различных радиотехнических устройств.

Цель Изобретения — повышение КПД двухтактного преобразователя напряжения и расширение области его применения.

На фиг; 1, 2 приведены примеры конк, ретной реализации двухтактного преобразователя напряжения. 10

Двухтзктный преобразователь напряжения содержит блок запуска 1 и силовые транзисторы 2 и 3, коллектор каждого иэ которых через соответствующую первую 4 и вторую 5 обмотки токового трансформатора

6 присоединен к соответствующему концу обмотки 7 выходного трансформатора 8, средняя точка которой соединена с первой цепью питания 9 преобразователя, при этом базы силовых транзисторов 2 и 3 соединены 20 со второй цепью питания t0 преобразоватеllR, 3 эмиттеры силовых транзисторов 2 N 3 подключены к первым выводам соответственно третьей 11 и четвертой 12 обмоток токового трансформатора 6. Двухтактный 25 преобразователь напряжения содержит также две цепочки из последовательно соединенных диодов 13, 14 и t5, 16, диоды

17-20 и транзисторные ключи 21 и 22. Транзисторные ключи 21 и 22 заыунтированы 30 соответственно первым 17 и вторым t8 диодом в обратном направлении и включены последовательно между второй цепью пита" ния 10 и вторыми выводзми соответственно третьей 11 и четвертой 12 обмоток токового 35 трансформатора 6, каждая из которых зашунтирована цепочкой из последовательно соединенных диодов 13, 14 и 15, 16. Третий

19 и четвертый 20 диоды включены к обратном направлении между второй цепью пи- 40 тания 10 и соответствующим концом обмотки 7 выходного трансформатора 8. Базы силовых транзисторов соединены со второй цепью питания, 10 через соответствующие цепочки из параллельно 45 соединенных резистора 23, 24 ill диода 25, 26,.

На фиг. 1 управляющие входы транзисторных ключей 21 и 22 являются управляющими входами преобразователя и 50 подключены к выходу блока запуска 1, который в данном случае является задающим генератором, выполненным по любой из известных схем, например, по схеме автогене55 ратора с магнитными связями, вторичные обмотки трансформатора которого являются выходом задающего генератора. . Пятая обмотка 27 (см.фиг.2) токового трансформатора 6 снабжена отводом от середины обмотки, соединенным со второй цепью питания 10, а концы пятой обмотки

27 подключены к управляющим входам транзисторных ключей 21 и 22, при этом выход блока запуска подключен к одной из обмоток токового трансформатора 6, Токовый трансформатор 6 может выполняться на двух тороидальных магнитных сердечниках 28 и 29, у которых ВзгвОсгв <

ВзгдОсгд, где Взгд,Взгв и Qc2s, Осгд — индукция насыщения и сечение соответственно первого 28 и второго 29 сердечников, при этом на первом 28 из них размещена пятая обмотка 27, а первая 4, вторая 5, третья 11 и четвертая 12 обмотки охватывают одновременно оба сердечника 28 и 29, Токовый трансформатор 6 может иметь дополнительную обмотку 30 и выполняться на трех тороидальных магнитных сердечниках 28-31, у которых Взэ10сгт = Вз2вОс29 <

< Вз29029, где Взз1, Bs28, Взгд и Осз1, Ос2в, Ос29 — индукция насыщения и сечение соответственно сердечников 31, 28, 29, при этом пятая обмотка 27 охватывает одновременно сердечники 31 и 28, а первая 4, вторая 5, третья 11 и четвертая 12 обмотки охватывают одновременно сердечники 31, 28 и 19, кроме того дополнительная обмотка 30 подключена к источнику тока 32, Сердечник 31, обмотка 30 и источник тока 32 показаны на фиг.2 пунктиром. ь

Транзисторные ключи 21 и 22 выполнены на полевых транзисторах с допустимым напряжением сток-исток меньше напряжения на цепях питания 9 и 10 преобразователя, затвор и исток KoTopblx являются управляющими входами транзисторного ключа. блок запуска 1 на фиг, 2 выполнен на однопереходном транзисторе ЗЗ с времязадающей RC-цепью 34, 35, при этом дополнительный диод 35 включен между коллектором одного из силовых транзисторов (2) и точкой соединения резистора 34 и конденсатора 35 RC-цепи, причем выход запуска 1 подключен к пятой обмотке 27 токового трансформатора 6, Двухтактный преобразователь напряжения работает следующим образом. При подаче на входные цепи 9, 10 (см.фиг.1) напряжения питания U<», задающий генератор 1 вырабатывает прямоугольные импульсы, поступающие на транзисторные ключи 21 и 22. При условии, что другие цепи запуска не предусмотрены, дополнительный выход задающего генератора 1 соединяется с пятой обмоткой 27 трансформатора тока 6 (показано пунктиром). При этом наводится переменное напряжение на всех обмотках трансформатора тока 6 и п ри одном из открытых транзисторных ключей 21 или

1 В20 .188

10 общей базой, в связи с этим отношение витков обмоток 4(5) и 11(12) равно: 20 N4(5):В 11(12) = 1,2:1.0, что соответствует со25

22 полярность напряжения на обмотках f 1, 12 бракова. что открывается силовой гранзистор 2 или 3, например, силовой транзистор

2 (3). В результаге начинает развиваться блокинг-процесс. при котором протекает ток по цепи: входная цепь 9, обмотка 7 выходного трансформатора 8, обмотка 4(5) трансформатора тока 6, силовой транзистор

2(3), обмотка 11(12) трансформатора тока 6, транзисторный ключ 21(22), выходная цепь

10. В базовую цепь силового транзистора

2(3) трансформируется базовый ток из обмотки 4(5) трансформатора тока 6. Базовый ток замыкается по цепи: обмотка 11(12) трансформатора тока 6, база-эмиттерный переход силового транзистора 2(3), резистор 23(24), транзисторный ключ 21(22). Силовой транзистор 2(3) включен по схеме с отношению базового ((5) и коллекторного ((к)

)к токов )б = —. К обмотке 11(12) приложено

5 напряжение. равное:

Uw11(12) = (.)бэ2(з) + (б R23(24) +

+ ()си21(22) < U13(15) + U14(15), где Обэ2(3)- напряжение база эмиттер силового транзистора 2(3);

Uc„2l(22) — напряжение сток-исток транзисторного ключа 21(22); (.)1з(15), 014(15) — падение напряжения на диодах 13(15), 14(16).

Устранение несимметричного режима перемагничивания сердечника трансформатора тока 6 достигается введением резистора 23(24), который нормализует разброс падений напряжений на база-эмиттернам переходе силового транзистора 2(3) и напряжения сток-исток на транзисторном ключе 21(22). При смене полярности управляющего напряжения на выходе задающего генератора в момент запирания транзисторного ключа 21(22) прекращается ток силовога транзистора 2(3), происходит отключение эмиттерной цепи ("обрыв по эмиттеру" — эмиттерная коммутация), при этом на интервале рассасывания ток коллектора устремляется через коллекторнобазовый переход силового транзистора 2(3) и диод 25(26). При этом ток, наводимый в обмотке 4(5) трансформатора тока 6 замыкается в обмотке 11(12) через диоды 13(15), 14(16}. На обмотке 12(11) продолжает формироваться запирающее напряжение при открытом транзисторном ключе 22(21). Это обеспечивает полное исключение режима

"сквозных" токов. После рассасывания коллекторна-базового перехода силового тран30

55 эистора 2 3) последний эапирв 1, ч Прпкпл щается так через обмотку 4(5) трансформа тора така 6. Напряжения на em обма1ках меняют свою полярность, что сппсобгтвуег развитию блокинг-процесса для силового транзистора 3(2).

Таким Образом, в преобразователе обеспечивается наиболее благоприятный режим коммутации си, овых транзисторов 2, 3 при жесткой связи коллекторных и базовых обмоток (4, 11, 5,12} трансформатора тока 6 (коэффициент трансформации

Ктр = 1:1,2), что исключает влияние его паразитных параметров и ускоряет блокингпроцесс.

На фиг. 2 показан вариант автоколебательного преобразователя. В данном случае блок запуска 1 формирует импульс запуска. при катаром одновременно открываются силовой транзистор 2(3) и транзисторный ключ 21(22) из-за магнитной связи между сердечниками 28, 29, Открытие транзисторного ключа 21 (22) приводит к открытие силового транзистора 2(3) и развитию блокинг-процесса. При этом силовой транзистор 2(3) поддерживается насыщенным обмоткой 11(12) через транзисторный ключ

21(22), который поддерживается в режиме насыщения обмоткой 27 трансформатора тока 6. В связи с тем, что эти обмотки размещены на различных сердечниках (28 и 29), при условии В52вОс2в < В52в0С29 первый сердечник (28) насыщается, и напряжение на обмотке 27 падает до нуля. При этом транзисторный ключ 21(22) закрывается и обеспечивает эмиттерную коммутацию силового транзистора 2(3). Рассасывающий ток протекает через коллекторно-базовый переход силового транзистора 2(3) и диод

25(26). Ток, протекающий через обмотку 4(5) трансформатора 6 замыкается через диоды

13(15}, 14(16) и обмотку 11(12) насыщенного сердечника (29). На обмотке 12(11) продолжает наводиться отрицательное напряже ние, поступающее через диод 18(17) к база-эмиттерному переходу силового транзистора 3(2). а транзисторный ключ 22(21) при этом заперт. После окончания рассасывания силовой транзистор 2(3) запирается, ток через обмотку 4(5} резко прекращается, ток обеспечивает изменение полярности напряжения на всех обмотках трансформатора тока 6 и начало блокинг процесса, как для транзисторного ключа 22(21), так и для силавога транзистора 3(2). ,цля обеспечения регулирования частоты преобразования источник тока 32 регулирует так через обмотку 30, две половины которой включены встречно v рлзме цвнь на сердечниках 28 и 31 (показано nð.êò

1820 .!() 8 ()<)м) и")менение ока в обмотке 30 привоЛИГ» пг>дмагни>(ива>4ию сердечников 28. 31 и изм>»(пнию их и>4дукции Вз, ОднОГО из сердечников 28 или 31 в сторону (Я-Вз), друfr го — (Bs), Суммарное переключение обеспечивд8тся насыщением ОбОих сердечников

28 и,") 1, причем формирование Отрицатель1(ой пОлуволнь> Обеспечивает ОДин сердечник (28), положительной полуволны — другой

131). Отсутстви тока подмагничивания соответствует минимальной частоте преобразования. Для формирования симметричного напряжения г>араметры сердечников 28 и 31 должны быть идентичными: QC20 =- Осз1.

8(78 =: Вязь

Для начального запуска преобразователя мОжет использоватьсЯ блОК запуска 1 Н3 однопереходном транзисторе )3 с времязаД31011>еи 16п(,ю "4 35 При чом Дис Д 35 обесг1ечивает блок IpoBKy блока запуска 1 после 33f) >>CK 3 преОЬразователя путем шунтирования конденсатора 34 через диод 35 периодически открываюгцимся силовым

1 ра143 ICTÎpOI 2, В предложенном преобразователе обеспечивается симметричная работа двух

ПЛечей, ГIОЛНОСТЬЮ ИСКЛ>ОЧен Реж>ИМ> СКВОЗ

HbIx T0K0в, cиn0вы6 TP3нзиcToPbI P3á0T3Io!т по "..õå:.,ìå с общей базой с змиттерной коммутацией и пропорционально-токовым управлением. что 068спечивает их быстродействие и приводит к снижению потерь мощ14ос) и в них, обеспечивает неоЬхадимые Траектории перекл>очения. Все зто повышает КПД преобразователя, появляется возможность использования менее быстродейству1ощих силовых транзисторов, имеющих меньшу>о стоимость, а также возможность повышения частоты преобразования, что в свою очередь ()асширяет Область применения преобразователя. Кроме того, Обеспечение автоколебательнОГО >режима упрощает схему преобразователя, уменьшает его массу и габариты за счет исключения злеме>гтов задающего генератора и, следовательно, floTepb могцнОсти в них, Возмож ность регулирования частоты преобразования позволяет либо стабилизировать ее в необходимых случаях, либо Осуществлять оптимальное регулирование для снижениЯ потерь МОЩНОсти в ftp8015p33033"

Теп6. Все это cnoc06cTByeT пОвышению КПД

Двухтактно>-о преобразователя напряжения и p3cLu54pe>4vto Ohn3(;TH åãî применения. Использование полевых транзисторов в качестве тр »>зисторных ключей дополнительно

)бесо "i 133>)T АМсоК06 быстродействие и ма л (1 е л I > t„ м я и (4 ) е к л IO>4 ГF >4 и я (" ил 0 в ы х т р 3 н 3 иr IopoB. > f11 11рив(1дит к повышени>0 КПД

40 преобрэзо(4агеля и расширению области его применения.

Предложенное техническое решение было проверено. Двухтактный преобразователь напряжения выполнялся по схеме на фиг. 2 с использованием силовых транзисторов 2, 3 типа KF854 А, транзисторных ключей КТ117 г. Основные технические характеристи ки преобразователя: нап ряжеНИ8 Г1ИТаНИЯ ()»»>т = 140 В: МОЩНОСТЬ нагрузки 100 Вт; частота преобразования

40 кгц; КПД вЂ” 95 ). В качестве базового обьекта выбрано устройство, реализованное по схеме, приведенной в (2). По сравнению сбазовы,м обьектом предложенное техническое решение имеет КПД на 4), выLU8, снижены масса и габариты теплоотводящих конструкций для транзисторов.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет повысить КПД и расширить область применения двухтактного преобразователя напряжения.

Формула изобретения ,1, Двухтактный преобразователь напряжения, содержащий блок запуска и силовые транзисторы, коллекторы KoTopbtx через соответству>ощие первую и вторую обмотки токового трансформатора присоединены к соответствующим концам обмотки .в)яходного трансформатора„средняя точка которой соединена с первым входным выводом, при атом змиттеры силовых транзисторов подключены к первым выводам соответственно третьей и четвертой обмоток токового трансформатора, имеющего так)ке пятую обмотку, î — л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения КПД и расширения области применения, в него введены две цепочки из последовательно соединенных диодов, две цепочки из параллельно соединенных резисторов и диода, четыре диода и два транзисторных ключа, зашунтированных соответственно первым и вторым диодами, включенными в обратном направлении, и включенных последовательно между вторым входным выводом и вторыми выводами соответственно третьей и четвертой обмоток токового трансформатора, каждая из которых зашунтирована це50 f|o IKGA из пОследоватеnbH0 c06+I>IHBHHblx диодов, при этом третий и четвертый диоды включены в обратном направлении между вторым входным выводом и соответствующим концом обмотки выходного трансформ 3тОра, KpoM6 YOI o, пятая обмотка TOKoeof o трансформатора и управляющие входы транзиСторных клк)чсй являются управляющими входными (ь>водами п;.ч . >бразовэтеля. 3 Ьазы силог4>)х 1р 1>лг>и(i!р()в

СР8ДИН(.НЫ r B)ППЫМ ><»>15»>1,>Ь Iit!i.r. >t,>Ë i>t

1820988

10 реэ соответствующие цепочки из параллельно соединенных резистора и диода.

2, Преобразователь по п,1, отл и ч а ю- шийся тем. что пятая обмотка токового трансформатора снабжена отводом ее от 5 средней точки, соединенным с вторым входным выводом, а концы пятой обмотки токового трансформатора подключенIQ к управляющим входам транзисторных ключей, при этом выход блока запуска подклю- 10 чен к одной иэ обмоток токового трансформатора.

3. Преобразователь по п.2. о т л и ч а юшийся тем, что токовый трансформатор выполнен на двух тороидзльных магнитных 15 сердечниках, у которых Bst Ос1 < ВжОс2, где Bs>, Bsz и Ос1 Qcz — индукции насыщения и сечения соответственно первого и второго сердечников; при этом на первом иэ них размещена пятая обмотка, а первая, 20 вторая, третья и четвертая обмотки охватывают одновременно два сердечника.

4. Преобразователь по п.2. о т л и ч а юшийся тем, что в него введен источник тока, а токовый трансформатор снабжен до- 25 полнительной обмоткой и выполнекна трех тороидальных магнитных сердечниках. у которых BstQci - BszGcz < ВззОсз, где Вя, Взг„883 и Ос1, Qcz, Qc3 — индукции насыщения и сечения соответственно первого, 30 второго и третьего сердечников, причем половины дополнительной обмотки включены встречно и размещены соответственно нв первом и втором сердечниках, при этом пятая обмотка охватывает одновременно первый и второй сердечники, а первая, вторая, третья и четвертая обмотки охватывают одновременно первый. второй и третий сердечники, кроме того, дополнительная обмотка подключена к источнику тока.

5. Преобразрватель по пп.1-4, о т л ич а ю шийся тем, что транзисторные ключи выполнены на полевых транзисторах с допустимым напряжением сток-исток меньше напряжеиия на входных выводах преобразователя, затвор-исток которых являются управляющими входами транзисторных ключей. б. Преобразователь по пп.2-5. о т л ич а ю шийся тем, что, в него, введен дополнительный диод, а блок аапуска выполнен на одноперехадном транзисторе с времязадавщей йС-цепью, при этом дополнительный диод включен между коллектором одного из силовых транзисторов и точкой соединения резистора и конденсатора времяэздающей ЯС-цепи, причем выход блока запуска подключен к пятой обмотке . токового трансформатора.

1820988

)1

1

Редактор

Эакаэ 2044 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по иэобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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

1

Составитель В.Хандогин

Техред М.Моргентал Корректор M.Ïeòðoâà