Регулируемый двухтактный преобразователь постоянного напряжения

 

Использование: системы вторичного электропитания. Цель изобретения - повышение надежности за счет упрощения структуры. Сущность изобретения: устройство содержит силовые транзисторы (1 и 2), задающий генератор (10), коммутирующий

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Н 02 М 3/335

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН й4Мщц

ПА НМ т ц,, „ I "15JIQQyggp

К ПАТЕНТУ

00 (л)

О М о (21) 48875 11/07 (22) 30.11.90 (46) 23,07.93. Бюл. М 27 (71) Научно-производственное объединение

Сибцветметавтоматика (72) И.И.Куликов (73) Научно-производственное объединение

"Сибцветметавтоматика" (56) Авторское свидетельство СССР

f4 913534, кл. Н 02 М 7/538, 1980, Мкртчян Ж.А. 3лектропитание электронно-вычислительных машин. — M.: Энергия, 1980, с. 44; р, 2 19. (54) РЕГУЛИРУЕМЫЙ ДВУХТАКТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ га

„„JIB 1830176 А3 (57) Использование: системы вторичного электропитания. Цель изобретения — повышение надежности за счет упрощения структуры. Сущность изобретения: устройство содержит силовые транзисторы (1 и 2), задающий генератор (10), коммутирующий (4) и модулирующий(7) трансформаторы, модулирующие резисторы (30 и 31) и звено обратной связи (8). Изменение тока управляющей обмотки трансформатора (7) вызывает изменение длительности открытого состояния модулирующего и соответствующего ему силового транзистора. Тем самым обеспечивается регулирование соотношения закрытого и открытого состояний силовых транзисторов и выходного напряжения преобразователя. 3 ил.

1830176

35 гаемого регулируемого двухтактного преобразователя постоянного напряжения, выполненного по полумостовой схеме; на фиг,2 представлены идеаЛизированные кривые напряжений и токов элементов пре- 40 образователя, где im, iaaf — токи баз силовых транзисторов 1 и 2; 4 — ток первой замыкающей обмотки (положительный участок кривой) и ток второй замыкающей обмотки (отрицательный участок кривой) модулирующего трансформатора; ly — ток управления, протекающий по замыкающим обмоткам модулирующего трансформатора, равный сумме тока базы модулирующего транзистора и трансформируемого в замыкающую обмотку тока управляющей обмотки; измененный УРовень тока УпРавлениЯ; 1к1, l,2 — уровни токов коллекторов модулирующих транзисторов, при которых дальнейший их рост ограничен заданным током базы и коэффициентом усиления; Озг — напряжение на выходе задающего генератора; на фиг 3 представлен вариант предлагаемого преобразователя, выполненного по схеме

Изобретение относится к электротехнике.и предназначено.для использования в системах, вторичного электропитания.

Цель-изобретения — повышение надежности регулируемого двухтактного преобразователя постоянного напряжения путем упрощения его структуры.

В преобразователь, содержащий более двух силовых транзисторов, введены по числу дополнительных силовых транзисторов дополнительно: основные и дополнительные обмотки в коммутирующий трансформатор, отпирающие и замыкающие в модулирующий трансформатор, модулирующие транзисторы, связи между которыми выполнены по схемам для силовых транзисторов, открытых в полутакте с первым силовым транзистором, как для этого транзистора, для силовых транзисторов, открытых в полутакте со вторым силовым транзистором, как для этого транзистора.

Предлагаемое построение схемы регулируемого двухтактного преобразователя постоянного напряжения позволяет, используя дополнительно свойства коммутирующих трансформатора и транзисторов, осуществлять широтно-импульсную модуляцию импульсов управления силовыми транзисторами без введения в структуру преобразователя отдельно ШИМ с двухполярным выходом, т.е. позволяет I10 сравнению с прототипом упростить структуру преобразователя и таким путем повысить его надежность.

На фиг,1 представлена схема предла5

30 со средней точкой первичной обмотки силового трансформатора.

Регулируемый двухтактный преобразователь постоянного напряжения (фиг.1) выполнен по полумостовой схеме с силовым трансформатором, к выходной обмотке которого подключена нагрузка через выпрямитель и сглаживающий фильтр, Преобразователь содержит первый 1 и второй 2 силовые транзисторы, задающий генератор 3, коммутирующий трансф(ррматор 4, первый 5 и второй 6 модулирующие транзисторы, модулирующий трансформатор 7, звено обратной связи 8 и узел 9 согласования. Первичная обмотка 10 коммутирующего трансформатора 4 подключена к выходу задающего генератора;3, Первая основная обмотка 11 коммутирующего трансформатора 4 началом подключена к коллектору первого модулирующего транзистора 5, а концом — к началу первой дополнительной обмотки 12 того же трансформатора 4 и к эмиттеру первого силового транзистора 1, Вторая основная обмотка 13 коммутирующего трансформатора 4 концом подключена к коллектору второго модулирующего транзистора 6, а началом — к концу второй дополнительной обмотки 14 того же трансформатора 4 и змиттеру второго силового транзистора 2.

Эмиттер первого модулирующего трэн.зистора 5 соединен с концом первой отпирающей 17 и началом первой отпирающей

17 и началом первой замыкающей 18 обмоток модулирующего трансформатора 7 и через первый токоограничивающий резистор 25 — с базой первого силового транзистора 1.

Конец первой замыкающей обмотки 18 модулирующего трансформатора 7 через первый замыкающий диод 19 соединен с концом первой дополнительной обмотки 12 коммутирующего трансформатора 4, Начало первой отпирающей обмотки 17 модулирующего трансформатора 7 через первый токоформирующий элемент 20 соединено с базой первого модулирующего транзистора 5.

Эмиттер второго модулирующего транзистора 6 соединен с началом второй отпирающей 22 и концом второй замыкающей 23 обмоток модулирующего трансформатора 7 и через второй токоограничивающий резистор 26 — с базой второго силового транзистора 2.

Начало второй замыкающей обмотки 23 модулирующего трансформатора 7 через второй замыкающий диод 21 соединено с

1830176 началом второй дополнительной обмотки 14 коммутирующего трансформатора 4.

Конец второй отпирающей обмотки 22 модулирующего трансформатора 7 через второй токоформирующий элемент 24 соединен с базой второго модулирующего транзистора 6, Управляющая обмотка 27 модулирующего трансформатора 7 через узел Q согласования, выполненный в виде двухполупериодного выпрямителя, подключен к выходу звена 8 обратной связи. Вход звена

8 обратной связи подключен к выходу сглаживающего фильтра, куда подключено так же сопротивление нагрузки преобразователя, Звено 8 обратной связи может быть выполнено в виде известной схемы сравнения выходного напряжения преобразователя с опорным напряжением и последующим усилением сигнала рассогласования, Встречно-параллельно переходам база-эмиттер силовых транзисторов 1 и 2 включены шунтирующие диоды 28 и 29. Параллельно переходам эмиттер-коллектор модулирующих транзисторов 5 и 6 включены пусковые цепочки-резисторы 30 и 31.

Последовательно с замыкающими диодами могут быть включены дополнительные резисторы.

На фиг.1 они показаны пунктиром.

Регулируемый двухтактный преобразователь постоянного напря>кения работает следующим образом.

Задающий генератор 3 вырабатывает двухполярные импульсы напряжения прямоугольной формы, которые поступают на первичную обмотку 10 коммутирующего трансформатора 4 и трансформируются в его вторичные обмотки, Предположим, что в момент времени t (см, фиг.2) на обмотках коммутирующего трансформатора 4 появляется напряжение управляющих импульсов с полярностью, указанной на фиг,1 вне скобок.

Напряжение с первых основной 11 и дополнительной 12 обмоток коммутирующего трансформатора 4 через первый замыкающий диод 19 и пусковой резистор 30 прикладывается к первой замыкающей обмотке 18 модулирующего трансформатора

7. Это напряжение трансформируется в другие обмотки трансформатора 7, При этом напряжение второй отпирающей обмотки

22 прикладывается к переходу база-эмиттер второго модулирующего транзистора 6 в запирающем напряжении, а ток через вторую замыкающую обмотку 23 блокируется со стороны дополнительной обмотки 14 коммутирующего трансформатора замыкающим

20 трансформатора 7 начинает протекать ток

25 по цепи начало обмотки 11 — переход эмиттер — коллектор модулирующего транзистора

35

50

10 диодом 21 и со стороны самой обмотки 23— закрытым модулирующим транзистором 6, В то же время появление некоторого напряжения на первой отпирающей обмотке 17 модулирующего трансформатора 7 вызывает появление некоторого тока базы модулирующего транзистора 5, Транзистор 5 приоткрывается. В результате уменьшается падение напря>кения на переходе эмиттерколлектор этого транзистора и увеличиваются напряжения на замыкающей 18 и отпирающей 17 обмотках модулирующего трансформатора 7. Ток базы модулирующего транзистора 5 возрастает, и этот транзистор приоткрывается еще больше.

Возникает лавинообразный процесс открывания модулирующего транзистора 5. Через открытый модулирующий транзистор 5 к замыкающей обмотке 18 прикладывается суммарное напряжение обмоток 11 и 12 коммутирующего трансформатора 7 за вычетом падения напряжения на замыкающем диоде 19. Через обмотку 18 модулирующего

5 — обмотка 18 — замыкающий диод 19— конец обмотки 12. Одновременно через открытый модулирующий транзистор 5 и ограничивающий резистор 25 от обмотки 11 коммутирующего трансформатора 7 начинает втекать ток в базу первого силового транзистора 1, Этот транзистор открывается.

Ток замыкающей обмотки 18 модулирующего трансформатора 7 равен сумме тока нагрузки и тока намагничивания этого трансформатора. Ток нагрузки модулирующего трансформатора 7 имеет две составляющие, которые можно считать неизмененными на интервале намагничивания трансформатора. Это ток базы модулирующего транзистора 5, протекающий через токаформирующий элемент 20, и ток управления, протекающий по управляющей обмотке 27. Оба этих тока, трансформируясь, протекают по замыкающей обмотке 18.

Ток намагничивания, протекающий также по обмотке 18, нарастает на интервале намагничивания модулирующего трансформатора 7 по закону, близкому к линейному

Таким образом, через открытый модулирующий транзистор 5 начинает протекать ток базы первого силового транзистора 1 и линейно нарастающий ток замыкающей обмотки 18 модулирующего трансформатора

7, В момент времени т;, когда сумма нарастающего тока обмотки 18 и тока базы силового транзистора 1 становится равной значению тока коллектора модулирующего транзистора 5, определяемого значениями

1830176

50 тока базы, задаваемого гокоформирующим элементом 20, и коэффициентом усиления тока этого транзистора;, сопротивление перехода амит:гер-.коллектор модулирующего транзистора 5 и падение напряжения на нем начинают возрастать, а напряжение на замыкающей обмотке 18 начинает уменьшаться. Это приводит к уменьшению напряжения на отпираю щей обмотке 17, уменьшение тока базы модулирующего транзистора 5 и еще большему увеличению сопротивления перехода эмиттер-коллектор этого транзистора и падения напряжения на нем. В результате возникшего лавинообразного процесса увеличения сопротивления перехода эмиттер-коллектор модулирующего транзистора 5 напряжение,на замыкающей 18 и остальных обмотках модулирующего трансформатора 7 падает до нуля.

В момент времени t<, когда потенциал начала замыкающей обмотки 18, понижаясь, достигает значения потенциала эмиттера силового транзистора 1, через переход база-эмиттер силового транзистора 1 начинает протекать запирающий ток по цепи начало обмотки 12 коммутирующего трансформатора 4 — .переход база-эмиттер силового транзистора 1 — ограничивающий резистор 25 — замыкающая обмотка 48 модулирующего трансформатора 7 — замыкающий диод 19 — конец обмотки 12, Переход база-эмиттер силового транзистора 1 запирается и транзистор 1 закрывается, Ток по обмотке 18 продолжает протекать через шунтирующий диод 28, В момент времени tz происходит смена полярности импульсов напряжения, посту-. пающих с выхода задающего генератора 3 на первичную обмотку 10 коммутирующего трансформатора 4. (Новая полярность напряжения указана на фиг,2 s скобках). Смена полярности напряжения приводит к лавинообразному открыванию второго модул ирующего транзистора б, При этом первоначально напряжение на замыкающую обмотку 23 модулирующего трансформатора 6 поступает через пусковой резистор 31.

Напряжение на этой обмотке. трансформируясь в отпирающую обмотку 22, обусловливает появление тока базы модулирующего транзистора 6 и возникновение лавинообразного процесса его открывания. В то же. время замыкающий диод 19 исключает поступление тока в базу силового транзистора

1 через замыкающую обмотку 18 модулирующего трансформатора 7 со стороны дополнительной обмотки 12 коммутирующего трансформатора 4.

Через открытый модулирующий транзистор 6 начинает поступать ток в замыкающую обмотку 23 и базу силового транзистора 2, который открывается, К замыкающей обмотке 23 прикладывается суммарное напряжение обмоток 13 и

14 коммутирующего трансформатора 4 за вычетом падения напряжения на замыкающем диоде 21, В замыкающей обмотке 23 начинает линейно возрастать ток, что связано с нарастанием тока намагничивания модулирующего трансформатора 7. Соответственна этому происходит нарастание тока коллектора модулирующего транзистора 6.

В момент времени ta амплитуда тока коллектора модулирующего транзистора 6 достигает значения, которое определяется током базы этого транзистора, заданным токоформирующим элементом 24 1л коэффициентом усиления транзистора. Сопротивление перехода эмиттер-коллектор модулирующего транзистора 6 начинает возрастать, что приводит к увеличению падения напряжения на нем и соответственно уменьшению на замыкающей 23 и отпирающей 22 обмотках модулирующего трансформатора 7, Уменьшение напряжения на отпирающей обмотке 22 уменьшает TGI(базы коммутирующего транзистора 6. Возникает лавинообразный процесс снижения напряжения на обмотках модулирующего трансформатора 7 до нуля

В момент времени, когда потенциал конца замыкающей обмотки 23, понижаясь, становится равным потенциалу эмиттера силового транзистора 2, через переход база-эмиттер этого транзистора начинает протекать запирающий ток по цепи конец дополнительной обмотки 14 коммутирующего трансформатора 4 — переход базаэмиттер силового транзистора 2 ограничивающий резистор 26 — замыкающая обмотка 23 модулирующего трансформатора 7 — замыкающий диод 21 — начало обмотки 14, Переход база-эмиттер силового транзистора 2 запирается, а сам транзистор закрываетсл. Ток через замыкающую обмотку 23 продолжает протекать через шунтирующий диод 29.

В момент времени t4 происходит смена полярности напряжения на обмотках коммутирующего трансформатора 4. Открывается модулирующий транзистор 5 и далее процессы, описанные выше, циклически повторя ются, Переключаясь, силовые транзисторы 1 и 2 генерируют переменное напряжение прямоугольной формы, которое поступает на силовой трансформатор, трансформиру183 017б

10

50 ется, выпрямляется, сглаживается фильтром и подается на нагрузку.

При увеличении, например, выходного напряжения преобразователя в результате воздействия дестабилизирующих факторов, изменения напряжения питания или сопротивления нагрузки, звено 8 обратной связи уменьшает свое выходное сопротивление, что приводит к увеличению тока через узел

9 согласования — двухполупериодный выпрямитель, нагруженный на это сопротивление, и соответственно тока управляющей обмотки 27 модулирующего трансформатора 7. Увеличение тока управляющей обмотки 27 вызывает увеличение начальных значений токов, замыкающих обмоток 18 и

23 модулирующего трансформатора 7 и токов коллекторов модулирующих транзисторов 5 и б. Это приводит к уменьшению времени нарастания амплитуд токов коллекторов модулирующих транзисторов до значений, при которых зти транзисторы начинают ограничивать нараставшие каллекторные токи на уровне, заданном токами баз и коэффициентами усиления транзисторов. В результате длительность импульсов, открывающих силовые транзисторы 1 и 2, уменьшается и выходное напряжение преобразователя снижается, возвращаясь к исходному состоянию.

Изменяя величину выходного сопротив ления звена 9 обратной связи, например, при помощи входящего в него переменного резистора, можно менять величину тока управляющей обмотки 27 модулирующего трансформатора. 7 (см. фиг.2). осуществляя полное регулирование длительности импульсов, отпирающих силовые транзисторы

1 и 2, от нуля до номинального значения, тем самым изменяя уровень выходного напря>кения стабилизатора от нуля до номинального значения.

Введение дополнительных резисторов, включенных последовательно с замыкающими диодами 19 и 21, позволяет одновременно с уменьшением длительности отпирающих силовые транзисторы импульсов уменьшать их амплитуду, Регулируемый двухтактный преобразователь постоянного напряжения может иметь число транзисторов больше двух, например, в мостовой схеме, В этом случае в коммутирующий и модулирующий трансформаторы должны быть введены дополнительно основные, дополнительные отпирающие и замыкающие обмотки, а также введены модулирующие транзисторы по числу дополнительно введенных силовых транзисторов. При этом для силовых транзисторов, находящихся в открытом состоянии, одновременно с первым силовым транзистором связи между введенными обмотками и модулирующими транзисторами должны быть выполнены как для первого силового транзистора, а для силовых транзисторов, находящихся в открытом состоянии одновременно со вторым силовым транзистором связи между введенными обмотками и модулирующими транзисторами должны быть выполнены как для второго, силового транзистора.

В предлагаемом устройстве для осуществления широтно-импульсной модуляции импульсов управления силовыми транзисторами использованы элементы непосредственного управления этими транзисторами: коммутирующие трансформатор и транзисторы, что позволяет исключить из структуры преобразователя отдельный ШИМ с двухполярным выходом. Тем самым достигаются упрощение структуры преобразователя по сравнению с прототипом и связанное с этим повышение надежности устройства, Формула изобретения

Регулируемый двухтактный преобразователь постоянного напряжения, содержащий по крайней мере два транзистора, первый и второй силовые транзисторы, задающий генератор, коммутирующий трансформатор с первичной обмоткой, подключенной к выходу задающего генератора, и вторичными, первыми основной и дополнительной и вторыми основной и дополнительной обмотками, модулирующий трансформатор, первый модулирующий транзистор, эмиттер которого подключен к концу первой атпирающей обмотки модулирующего трансформатора, а коллектор — к началу первой основной обмотки коммутирующего трансформатора, конец которой соединен с змиттером первого силового транзистора, второй модулирующий транзистор, змиттер которого подключен к началу второй отпирающей обмотки мадулирующего трансформатора, а коллектор—

K концу второй ocHosHGA обмотки коммутирующего трансформатора, начало которой соединено с эмиттерам второго силового транзистора, звено обратной связи, подключенное входом к выходу преобразователя, а выходом через узел согласования — к управляющей обмотке модулирующего трансформатора, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности путем упрощения структуры г|реобразователя, в мадулирующий трансформатор введены замыкающие обмотки, первая из которых соединена началом с эмиттер.ом первого мадулирующего транзистора и через пер1830176 вый ограничивающий резистор с базой первого силового транзистора. а концрм через первый зэвфкающий,.диод, включенный встречно пооледователъно с переходом база-эмиттер первого силового транзиотора, соединена с концом первой дополнительной обмотки коммутирующего трансформатора, начало которой соединено с концом первой основной обмотки того же трансформатора, вторая замыкающая обмотка соединена концом с эмиттером второго модулирующего транзистора и через второй токоограничивающий резистор с базой второго силового транзистора, а началом через второй замыкающий диод, включенный встречно последовательно с переходом база-эмиттер второго силового транзистора, соединена с началом второй дополнительной обмотки коммутирующего трансформатора, конец которой соединен с началом

Ъ второй основной обмотки того же трансформатора, при этом начало первой отпирэющей обмотки модулирующего трансформатора через первый токоформи5 рующий элемент подключено к базе первого модулирующего транзистора, конец второй отпирающей обмотки модулирующего трансформатора через второй токоформирующий элемент подключен к базе

10 второго модулирующего транзистора, параллельно переходу эмиттер-коллектор каждого из модулирующих транзисторов включена пусковая цепочка, встречно параллельно переходу база-эмиттер каждого

15 из силовых транзисторов включен шунтирующий диод, узел согласования выполнен в аиде двухполупериодного выпрямителя, подключенного входом к управляющей обмотке модулирующего трансформатора, а

20 выходом — к выходу звена обратной связи, 1830176

Составитель И. Куликов

Техред M.Ìoðãåíòàë

Корректор Н. Гунько

Редактор М. Кузнецова

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

Заказ 2495 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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