Преобразователь постоянного напряжения

 

Использование: во вторичных источниках электропитания, в частности для питания радиоэлектронной аппаратуры от бортовых источников энергии, например аккумуляторной батареи. Сущность изобретения: инвертор содержит ненасыщающийся силовой трансформатор 4, два транзистора 2, 3 и насыщающийся трансформатор тока 4, вторичные обмотки 5, 6 которого подключены к управляющим переходам транзисторов 2, 3. Первичная обмотка 7 трансформатора тока 4 включена между первичными полуобмотками силового трансформатора 1 и шунтирована низкоомным подстроечным резистором, подвижный контакт которого подключен к положительному входному выводу. 1 ил.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано во вторичных источниках электропитания, в частности для питания радиоэлектронной аппаратуры от бортовых источников энергии, например аккумуляторной батареи.

Известен инвертор, содержащий ненасыщающийся силовой трансформатор, два транзистора и насыщающийся маломощный трансформатор, вторичные обмотки которого через резисторы подключены к управляющим переходам транзисторов, а первичная обмотка через резистор подключена к дополнительной обмотке силового трансформатора [1] .

Главным недостатком данной схемы является малый КПД, обусловленный большими потерями на управление.

В качестве прототипа выбран инвертор, содержащий ненасыщающийся силовой трансформатор, два транзистора и насыщающийся трансформатор тока, вторичные обмотки которого подключены к управляющим переходам транзисторов, при этом коллекторы транзисторов через первичные обмотки трансформатора тока подключены к крайним выводам первичных полуобмоток силового трансформатора, вывод нулевой точки которых подключен к положительной входной клемме инвертора, а эмиттеры транзисторов объединены и подключены к отрицательной клемме [2] .

В данной схеме имеет место пропорциональное токовое управление транзисторами, обеспечивающее минимальные потери.

Основным недостатком схемы является большая критичность к технологическим разбросам параметров транзисторов инвертора и выпрямительных диодов нагрузки. Эти разбросы приводят к несимметрии схемы в смежных полупериодах ее работы, и к подмагничиванию магнитопровода силового трансформатора постоянным током. Из-за этого появляются дополнительные коммутационные перегрузки транзисторов, увеличивается рассеиваемая на них мощность и следовательно, уменьшаются функциональная надежность и КПД. К недостаткам прототипа также следует отнести невозможность крепления транзисторов на общем радиаторе и корпусе инвертора без использования диэлектрических прокладок, что ухудшает его массогабаритные характеристики.

Цель изобретения - повышение функциональной надежности, КПД и улучшение массогабаритных характеристик.

Поставленная цель достигается тем, что в инверторе, содержащем ненасыщающийся силовой трансформатор, два транзистора и насыщающийся трансформатор тока, вторичные обмотки которого подключены к управляющим переходам транзисторов, первичная обмотка трансформатора тока включена между первичными полуобмотками силового трансформатора и шунтирована дополнительно введенным низкоомным подстроечным резистором, подвижный контакт которого подключен к положительной входной клемме инвертора, коллекторы транзисторов объединены и подключены к отрицательной клемме, а эмиттеры подключены к крайним выводам первичных полуобмоток силового трансформатора.

Основная сущность изобретения заключается в том, что введение подстроечного резистора позволяет путем изменения соотношения сопротивлений его плеч регулировать соотношение уровней токовой положительной обратной связи в смежных полупериодах и тем самым устранить подмагничивание магнитопровода силового трансформатора, а следовательно и обусловленные им недостатки прототипа.

Проведенный анализ существенных признаков предложенного технического решения по источникам научно-технической и патентной информации показал, что данное предложение соответствует критерию "существенные отличия".

На чертеже представлена принципиальная схема предложенного инвертора.

Инвертор содержит ненасыщающийся силовой трансформатор (СТ) 1, два транзистора 2, 3, насыщающийся трансформатор тока (ТТ) 4 и низкоомный подстроечный резистор R_o. Вторичные обмотки 5, 6 ТТ 4 подключены к управляющим переходам транзисторов 2, 3, а первичная обмотка 7 включена между первичными полуобмотками 8, 9 СТ 1 и шунтирована подстроечным резистором R_o, подвижный контакт которого подключен к положительной входной клемме инвертора. Коллекторы транзисторов объединены и подключены к отрицательной клемме, а эмиттеры подключены к крайним выводам первичных полуобмоток 8, 9 СТ 1. Ко вторичной обмотке 10 СТ 1 подключена нагрузка 11.

Инвертор работает следующим образом.

Пусть в исходном состоянии транзистор 2 открыт и насыщен, а транзистор 3 закрыт. При этом в первичной полуобмотке 8 СТ 1 протекает приведенный ток нагрузки I_н, а ток I_т в первичной обмотке 7 ТТ 4 равен I_т = I_н/2 - V_б/(n ˙ R_o), где n - коэффициент трансформации ТТ 4, а V_б = U_БЭнасmax.

Напряжение V_Б управляющего перехода открытого транзистора 2 прикладывается вследствие трансформации с обратной полярностью к управляющему переходу транзистора 3 и удерживает его в закрытом состоянии.

Транзистор 2 насыщен, если (с точностью до тока намагничивания магнитопровода ТТ 4) I_т > I_н ˙ n/h, где h = h_21эmin.

При насыщении магнитопровода ТТ 4 происходит резкое увеличение тока намагничивания, что вызывает соответствующее уменьшение тока базы открытого транзистора 2. По истечении времени рассасывания избыточных носителей в базовой области транзистора 2 он выходит из насыщения, в результате чего начинает уменьшаться I_н и соответственно I_т. Как только I_т начнет уменьшаться, напряжения на обмотках насыщенного ТТ благодаря накопленной в нем электромагнитной энергии скачком изменяют свою полярность. Смена полярностей напряжений на обмотках ТТ обуславливает начало лавинообразного процесса переключения транзисторов, приводящего к полному закрыванию транзистора 2, открыванию транзистора 3 и смене полярностей на обмотках СТ 1.

Приведенные выше соотношения позволяют найти минимальное значение R_o, обеспечивающее выполнение условия насыщения: I_н/2 - V_Б/(n ˙ R_o) > I_н ˙ n/h.

После выполнения необходимых преобразований получаем R_o > 2˙ V_Б/[I_н ˙ n (1 - 2_n/h).

Значение R_o минимально при n = h/4 и равно R_omin = 16 ˙ V_Б/(I_н ˙ h).

Рассеиваемая в резисторе R_o мощность P_o = I_н² ˙ R_o/4.

При R_o = R_omin имеем P_omin = 4 ˙ I_н˙ V_Б/h.

Отношение P_omin к полной мощности P = V_{п ˙}I_н имеет вид P_o/P = 4 ˙V_Б/(V_п ˙h), где V_п - напряжение питания инвертора.

Например, допустим, что V_Б = 0,5 B, h = 25, V_п = 20 В, тогда P_o/P = 4 ˙0,5/(20 ˙25) = 0,4% .

Таким образом, даже при использовании обычных транзисторов, потери на R_o незначительны и, как показала экспериментальная проверка, многократно перекрываются выигрышем в КПД за счет уменьшения коммутационных перегрузок транзисторов в 5-10 раз.

Указанные преимущества предложенного инвертора по сравнению с прототипом были подтверждены при испытаниях опытного образца инвертора в составе источника питания радиоэлектронной аппаратуры от аккумуляторной батареи автомобиля.

Уменьшение коммутационных перегрузок позволило применить в источнике транзисторы и трансформаторы меньшей мощности. Подключение коллекторов транзисторов к общей для источника питания и автомобиля минусовой шине обеспечило возможность использовать в качестве радиаторов транзисторов элементы конструкции аппаратуры. Все это позволило уменьшить габариты и массу источника более чем в 2 раза. (56)1. Э. М. Ромаш, Ю. И. Драбович, Н. Н. Юрченко и П. Н. Шевченко. Высокочастотные транзисторные преобразователи. М. : Радио и связь, 1988, с. 103, рис. 4.9а.

2. Там же, рис. 4.22. б.

Формула изобретения

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий ненасыщающийся силовой трансформатор, два транзистора и насыщающийся трансформатор тока, вторичные обмотки которого подключены к управляющим база-эмиттерным переходам транзисторов, отличающийся тем, что первичная обмотка трансформатора тока включена между первичными полуобмотками силового трансформатора и шунтирована введенным низкоомным подстроечным резистором, подвижный контакт которого подключен к положительному входному выводу, коллекторы транзисторов объединены и подключены к отрицательному входному выводу, а эмиттеры соединены с крайними выводами первичных полуобмоток силового трансформатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1