Стабилизирующий мостовой преобразователь постоянного напряжения

 

Использование: для питания РЭА и устройств автоматики. Сущность изобретения: преобразователь содержит токозамыкающие ключи 21, 24, первый из которых включен между силовым выходом первого коммутирующего ключа 1 и точкой соединения токозамыкающего диода 13 с накопительным конденсатором 12. Управление токозамыкающими ключами 21, 24 осуществляется от модулятора 14 управляющих импульсов через отдельные его выходы. Пары ключей: первый коммутирующий и второй токозамыкающий 24, второй коммутирующий 2 и первый токозамыкающий ключи 21 управляются синфазными сигналами длительностью в половину периода рабочей частоты. Сигналы управления этими парами ключей сдвинуты относительно друг друга на 180°. Два регулирующих ключа 3, 4 переключаются в противофазе относительно друг друга (каждый в фазе с соответствующим коммутирующим ключом) и управляются импульсами изменяемой длительности от нуля до половины периода рабочей частоты. Коммутирующие 1, 2 и регулирующие 3, 4 ключи образуют мост, питаемый через накопительный дроссель 8, параллельно которому подключены токозамыкающий диод 13 и соединенный с ним накопительный конденсатор 12. 2 ил.

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к устройствам электропитания радиоэлектронной аппаратуры и средств автоматики.

Известен стабилизирующий мостовой преобразователь, который содержит первый и второй коммутирующие, два регулирующих и два токозамыкающих ключа, силовой трансформатор, подключенный выходом непосредственно к выходным выводам, накопительный дроссель, включенный между первым входным выводом и точкой соединения силовых входов коммутирующих ключей, к которой через накопительный конденсатор подключен одним выводом токозамыкающий диод, соединенный другим выводом с первым входным выводом, модулятор управляющих импульсов, подключенный входом к выходным выводам, а выходами управления к управляющим входам коммутирующих, регулирующих и токозамыкающих ключей.

Недостатком известного преобразователя является то, что в моменты коммутации регулирующих ключей к открытому токозамыкающему диоду прикладывается напряжение источника питания. В связи с этим амплитуда тока выключения токозамыкающего диода, которая ограничивается только сопротивлениями этого диода, находящегося в начальный момент в открытом состоянии, и замкнутого соответствующего регулирующего ключа, на один, два порядка превышает амплитуду тока накопительного дросселя. Это, увеличивая потери в диоде и ключах, понижает КПД преобразователя, а также снижает его надежность.

Целью изобретения является повышение КПД и надежности стабилизирующего мостового преобразователя.

На фиг.1 приведена схема стабилизирующего мостового преобразователя постоянного напряжения; на фиг.2 представлены кривые напряжений и токов элементов преобразователя, поясняющие его работу, где V напряжение, i ток, индексом у обозначены сигналы на управляющих входах ключей, индексом к токи через ключи и напряжения на них, цифровые индексы соответствуют позиционному обозначению элементов на фиг.1, Е напряжение питания, V_w амплитуда напряжения на первичной обмотке трансформатора.

Стабилизирующий мостовой преобразователь постоянного напряжения содержит первый 1 и второй 2 коммутирующие ключи, регулирующие ключи 3, 4, силовой трансформатор 5 с первичной 6 и вторичной 7 обмотками, накопительный дроссель 8, включенный между первым 9 входным выводом и точкой 10 соединения силовых входов 10, 11 коммутирующих ключей 1, 2, к которой через накопительный конденсатор 12 подключен одним выводом токозамыкающий диод 13, соединенный другим выводом с первым 9 входным выводом, модулятор 14 управляющих импульсов, подключенный входом к выходным выводам вторичной обмотки 7 силового трансформатора 5, а выходами 15, 16 управления к управляющим входам первого 1, второго 2 коммутирующих ключей и 17, 18 к управляющим входам регулирующих ключей 3, 4. Между точкой 19 соединения токозамыкающего диода 13 с накопительным конденсатором 12 и силовым выходом 20 первого коммутирующего ключа 1 включен первый токозамыкающий ключ 21 односторонней проводимости, управляющий вход которого соединен с выходом 22 модулятора 14. Между точкой 19 и силовым выходом 23 второго коммутирующего ключа 2 включен второй токозамыкающий ключ 24 односторонней проводимости, управляющий вход которого соединен с выходом 25 модулятора 14. К входным выводам подключен источник питания с напряжением Е. К вторичной обмотке 7 силового трансформатора 5 подключена нагрузка. Параллельно регулирующим ключам 3, 4 могут быть включены диоды рекуперации. Модулятор 14 может питаться от общего источника тока и от отдельного, предназначенного для питания сигнальных цепей.

Преобразователь работает следующим образом.

При подаче питающего напряжения Е на входные выводы модулятор 14 начинает вырабатывать импульсы рабочей частоты, которые поступаю на управляющие входы ключей. Управление ключами осуществляется таким образом, что, когда замыкаются ключи 1, 4, ключи 2, 3 размыкаются и наоборот, коммутирующие ключи 1, 2 находятся в замкнутом состоянии в течение половины периода рабочей частоты. Коммутирующий 1 и токозамыкающий 24 ключи одновременно переходят в одно и то же состояние "замкнут" или "разомкнут". Аналогично работают коммутирующий 2 и токозамыкающий 21 ключи.

Предположим, что в момент времени t_o (фиг.2) на управляющие входы коммутирующего 1, регулирующего 4 и токозамыкающего 24 ключей с выходов модулятора 14 поступают импульсы управления, замыкающие эти ключи. Возникает цепь передачи энергии от источника питания в нагрузку, подключенную к вторичной обмотке 7 силового трансформатора 5: первый входной вывод 9 накопительный дроссель 8 коммутирующий ключ 1 первичная обмотка 6 регулирующий ключ 4 второй входной вывод. По этой цепи начинает протекать ток, нарастая по закону, определяемому характером сопротивления этой цепи. На накопительном дросселе 8 выделяется часть напряжения питания. При этом в электромагнитном поле накопительного дросселя происходит накопление энергии, дроссель заряжается.

В момент времени t₁ импульс управления регулирующим ключом 4 оканчивается, а ключ 4 размыкается. Коммутирующий 1 и токозамыкающий 24 ключи остаются еще в замкнутом состоянии. Размыкаясь, регулирующий ключ 4 pазрывает цепь передачи энергии от источника питания Е через накопительный дроссель 8 в нагрузку. В результате напряжение на накопительном дросселе меняет свою полярность на противоположную, а ток разряда дросселя замыкается по двумя цепям: первая: накопительный дроссель 8 коммутирующий ключ 1 первичная обмотка 6 токозамыкающий ключ 24 токозамыкающий диод 13 накопительный дроссель и вторая: накопительный дроссель накопительный конденсатор 12 токозамыкающий диод 13 накопительный дроссель. Энергия разряда накопительного дросселя 8 через силовой трансформатор 5 передается в нагрузку и одновременно расходуется на заряд накопительного конденсатора 12.

В момент времени t₂ импульсы управления ключами 1 и 24 заканчиваются, и эти ключи размыкаются. Одновременно с размыканием этих ключей происходит замыкание ключей 2, 3 и 21, так как на их управляющие входы с выходов модулятора 4 поступают управляющие импульсы, замыкающие ключи. Вновь образуется цепь передачи энергии от источника питания в нагрузку: первый входной вывод 9 накопительный дроссель 8 коммутирующий ключ 2 первичная обмотка 6 регулирующий ключ 3 второй входной вывод. Напряжение на накопительном дросселе 8 меняет свою полярность. Энергия от источника питания начинает поступать через силовой трансформатор 5 в нагрузку. Одновременно происходит заряд накопительного дросселя.

В момент времени t₃ импульс управления регулирующим ключом 3 заканчивается, и ключ 3 размыкается. Цепь передачи энергии от источника питания в нагрузку прерывается. Напряжение на накопительном дросселе 8 меняет свою полярность на противоположную, и ток разряда дросселя начинает замыкаться по цепи: накопительный дроссель 8 коммутирующий ключ 2 первичная обмотка 6 токозамыкающий ключ 21 токозамыкающий диод 13 и по второй цепи: накопительный дроссель 8 накопительный конденсатор 12 токозамыкающий диод 13 накопительный дроссель. Энергия разряда накопительного дросселя передается через силовой трансформатор 5 в нагрузку и поступает в накопительный конденсатор 12.

В момент времени t₄ ключи 2 и 21 размыкаются, а ключи 1, 4 и 24 замыкаются. Описанные процессы повторяются с рабочей частотой. Разряд конденсатора 12 происходит также с этой частотой на интервалах времени, когда ток накопительного дросселя 8 оказывается меньше тока нагрузки. Ток разряда на нагрузку накопительного конденсатора 12, оказывающегося через замкнутые коммутирующий и синфазно с ним работающий токозамыкающий ключи подключенным параллельно первичной обмотке 6, компенсирует уменьшение тока разряда накопительного дросселя 9. Этим обеспечивается достаточная стабильность на обмотках силового трансформатора 5 амплитуды переменного напряжения, близкого по форме к прямоугольной, в течение его полупериода. Стабильность амплитуды напряжения на более длительном интервале времени обеспечивается за счет изменения длительности импульсов, управляющих регулирующими ключами 3, 4 в зависимости от изменения величин напряжения Е питания и амплитуды выходного напряжения V_w.

Контроль величины выходного напряжения осуществляется за счет подачи его на вход модулятора 4 длительности импульсов управления. Модулятор может быть выполнен, например по авт.св. СССР N 1051700.

В режиме рекуперации ток рекуперации, поступающий через трансформатор 5 со стороны нагрузки, в зависимости от направления (полярности напряжения на обмотках трансформатора 5) замыкается через источник питания Е по цепи: обмотка 6 коммутирующий ключ 2 конденсатор 12 диод 13 источник питания Е диод рекуперации регулирующего ключа 3 обмотка 6 либо по цепи: обмотка 6 коммутирующий ключ 1 конденсатор 12 диод 13 источника питания Е диод рекуперации регулирующего ключа 4 обмотка 6.

Применение токозамыкающих ключей в виде ключей односторонней проводимости обеспечивает ограничение амплитуды тока выключения токозамыкающего диода 13, к которому в известном устройстве прикладывается напряжение Е питания в моменты одновременного перехода в состояние "замкнуто" ключей 3 и 21 или 4 и 24, так как протекание тока выключения токозамыкающего диода 13 через эти ключи блокируется токозамыкающими ключами односторонней проводимости. Это повышает КПД преобразователя и его надежность.

Кроме того, в режиме рекуперации предлагаемый преобразователь обеспечивает передачу энергии из нагрузки в источник питания, в связи с чем в качестве накопительного конденсатора 12 может быть использован конденсатор меньшей емкости, чем в известных устройствах.

Таким образом, предлагаемый преобразователь по сравнению с прототипом имеет более высокие КПД и надежность, при меньших габаритах и массе накопительного конденсатора.

Формула изобретения

СТАБИЛИЗИРУЮЩИЙ МОСТОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий первый и второй коммутирующие, два регулирующих и два токозамыкающих ключа, силовой трансформатор, подключенный выходом непосредственно к выходным выводам, накопительный дроссель, включенный между первым входным выводом и точкой соединения силовых входов коммутирующих ключей, к которой через накопительный конденсатор подключен одним выводом токозамыкающий диод, соединенный другим выводом с первым входным выводом, модулятор управляющих импульсов, подключенный входом к выходным выводам, а выходами управления к управляющим входам коммутирующих, регулирующих и токозамыкающих ключей соответственно, отличающийся тем, что токозамыкающие ключи выполнены в виде ключей односторонней проводимости.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2