Однотактный преобразователь постоянного напряжения в постоянное

 

Использование: в транзисторных импульсных преобразователях постоянного напряжения с обратным включением выпрямительного диода, осуществляющих получение постоянных выходных напряжений с гальванической развязкой. Сущность изобретения: преобразователь содержит транзистор 1, трансформатор 3 с коллекторной 2, защитной 11 и компенсирующей 13 обмотками, выпрямительный диод 7, фильтрующий конденсатор 8, диод 12 и блок 15 управления. В преобразователе осуществляется демпфирование коммутационного импульса коллекторного напряжения транзистора 1 во время формирования фронта коллекторного напряжения при разряде индуктивности рассеяния коллекторной обмотки 2 трансформатора 3. Преобразователь содержит две демпфирующие цепи. Через первую, состоящую из защитной обмотки 11 и диода 12, избыточная энергия отводится в первичный источник. Вторая цепь, состоящая из компенсирующей обмотки 13 и конденсатора 14, играет вспомогательную роль и осуществляет отвод энергии при недостаточной магнитной связи коллекторной 2 и защитной 11 обмоток трансформатора 3 во время установившегося значения коллекторного напряжения на запертом транзисторе 1. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам преобразовательной техники к импульсным транзисторным однотактным преобразователям постоянного напряжения, осуществляющим получение электрически изолированных постоянных напряжений для электропитания различных систем и устройств автоматики и радиоэлектроники.

Известны однотактные преобразователи, у которых для демпфирования коммутационного импульса коллекторного напряжения при разряде индуктивности рассеяния обмоток силового трансформатора применяется DRC-цепь, которая при помощи заряда демпфирующего конденсатора защищает силовой транзистор от чрезмерного увеличения напряжения на его коллекторе, а разряд этого конденсатора осуществляется на активный резистор [1] Недостатком подобного устройства является невысокая энергетическая эффективность из-за значительной мощности потерь, рассеиваемой активным резистором.

Лучшими энергетическими показателями обладает преобразователь, у которого энергия, запасаемая в конденсатор, отдается в последующем такте работы в первичный источник [2] Недостатком такого устройства является наличие дополнительной индуктивности дросселя и недостаточная надежность работы в широком диапазоне изменения длительности импульса коллекторного тока силового транзистора.

Более широкодиапазонным является преобразователь, у которого для демпфирования коммутационного импульса коллекторного напряжения используется инерционный диод с накоплением заряда [3] Недостатком таких преобразователей является то, что в производстве отсутствует достаточно широкая номенклатура диодов с накоплением заряда и для создания прямого тока через диод необходима специальная схема с соответствующим потреблением энергии.

Наиболее близким к предлагаемому является однотактный преобразователь постоянного напряжения, у которого для демпфирования импульса коллекторного напряжения используется демпфирующий конденсатор, подключенный одним из выводов к коллектору силового транзистора, а другим выводом к одному из выводов защитной обмотки силового трансформатора [4] Недостатком этого преобразователя является невозможность его использования в преобразователях с обратным включением выпрямительного диода и невысокая эффективность демпфирования.

Целью изобретения является устранение этих недостатков, а именно расширение функциональных возможностей применения устройства за счет возможности его использования в однотактных преобразователях постоянного напряжения с обратным включением выпрямительного диода и повышение эффективности демпфирования.

Указанная цель достигается тем, что по отношению к прототипу анод выпрямительного диода подключен к концу нагрузочной обмотки силового трансформатора и выбрано определенное соотношение витков между нагрузочной и защитной обмотками силового трансформатора. Кроме того, для дальнейшего повышения эффективности демпфирования на силовом трансформаторе введена компенсирующая обмотка с определенным соотношением витков с коллекторной обмоткой.

Схема однотактного преобразователя постоянного напряжения приведена на чертеже.

Преобразователь содержит транзистор 1, коллектор которого соединен с концом коллекторной обмотки 2 трансформатора 3, началом подключенной к потенциальному входному выводу 4, общий вывод которого присоединен к эмиттеру транзистора 1. Конец нагрузочной обмотки 6 трансформатора 3 подключен к аноду выпрямителя 7, катодом присоединенного к первому выводу фильтра 8 и первому выходному выводу, а второй выходной вывод подключен ко второму выводу фильтра 8 и к началу нагрузочной обмотки 6 трансформатора 3. Эмиттер транзистора 1 соединен с началом защитной обмотки 11 трансформатора 3, конец которой подключен к аноду диода 12, катодом соединенного с началом коллекторной обмотки 2 трансформатора 3. Коллектор транзистора 1 подключен к началу компенсирующей обмотки 13 трансформатора 3, конец которой через конденсатор 14 соединен с анодом диода 12. Управление импульсной работой транзистора 1 осуществляется блоком управления 15.

Рассмотрим вначале этап установившегося напряжения на коллекторе транзистора 1 без учета коммутационного импульса напряжения, обусловленного зарядом тока индуктивностей рассеяния трансформатора 3. На этом этапе времени напряжение на коллекторной обмотке 2 трансформатора 3 определяется U_к U_н W_к/W_н, (1) где U_н напряжение на выходных шинах 9 и 10; W_к и W_н число витков коллекторной 2 и нагрузочной 6 обмоток трансформатора 3. При этом напряжение на коллекторе транзистора 1 находится U_км E_п + U_к, (2) где E_п напряжение на входных выводах 4 и 5.

Для нормального функционирования устройства необходимо, чтобы напряжение на защитной 11 обмотке трансформатора 3 с числом витков W_з определялось соотношением U_з U_к W_з/W_к U_н W_з/W_н ≅ E_п. (3) Если это неравенство не выполняется, то обмотка 11 будет шунтировать нагрузку за счет отвода тока индуктивности намагничивания трансформатора 3 в первичный источник E_п через диод 12. При нормальном режиме работы на рассматриваемом этапе времени ток через диод 12 отсутствует и он не влияет на работу схемы.

В момент формирования фронта коллекторного напряжения транзистора 1 возникает импульс напряжения, обусловленный накоплением тока в индуктивности рассеяния обмотки 2. При отсутствии демпфирующих цепей амплитуда этого импульса и его временные характеристики определяются паразитными параметрами элементов силовой части преобразователя. Наличие защитной обмотки 11 ограничивает амплитуду коммутационного импульса напряжения до определенного уровня, который определяется следующими факторами.

При достаточно сильной магнитной связи коллекторной 2 и защитной 11 обмоток трансформатора 3 увеличение фронта коммутационного импульса напряжения приводит к его пропорциональной передаче из обмотки 2 в обмотку 11. При этом, так как увеличение напряжения на обмотке 11 не может превысить величину E_п (при большем напряжении открывается диод 12), то амплитуда коммутационного импульса напряжения на коллекторе транзистора 1 ограничивается до уровня
U_кми E_п(1 + W_к/W_з) (4)
На этапе наличия этого импульса, длительность которого определяется
t L_sI_км/(U_кми E_п), (5)
диод 12 открыт и индуктивность рассеяния L_s обмотки 2, в которой на этапе открытого состояния транзистора 1 был накоплен ток I_км, разряжается в источник E_п на шины 4 и 5.

С точки зрения надежности работы транзистора 1 необходимо, чтобы амплитуда коммутационного импульса напряжения U_кми была минимальной, максимально приближенной к напряжению U_кми, которое находится из выражений (1) и (2). Минимальная разница между напряжениями U_кми и U_км определяется изменениями напряжения E_п на шинах 4 и 5 в процессе эксплуатации преобразователя. Критичным является минимальное значение E_п (E_п мин) напряжения первичного источника, которое может иметь место в процессе эксплуатации. Для этого случая из (3) можно получить следующее минимальное число витков защитной обмотки 11
W_з ≅ E_п мин W_н/U_н (6)
Подстановка этого выражения в (4) дает следующее уравнение для расчета амплитуды коммутационного импульса напряжения на коллекторе транзистора 1
U_кми E_п(1 + U_нW_к/E_п мин W_н), (7)
где E_п выражает текущее, изменяющееся, но большее чем E_п мин, напряжение на входных выводах 4 и 5. В частности, при подстановке в (7) вместо E_п максимально возможного в процессе эксплуатации значения напряжения E_п макс, получим максимальное значение амплитуды импульса U_кми макс.

Таким образом, при изменении напряжения первичного источника на шинах 4 и 5 от величины E_п мин до E_п макс и выполнении условия (6) амплитуда коммутационного импульса напряжения на коллекторе транзистора 1 будет изменяться от величины U_кми мин U_км до уровня U_км макс.

В отличие от применяющейся размагничивающей обмотки в однотактных преобразователях с прямым включением выпрямительного диода, в рассматриваемом преобразователе обмотка 11 включается и отводит ток, накопленный в индуктивности рассеяния обмотки 2, только на этапе времени демпфирования коммутационного импульса коллекторного напряжения. При этом работоспособность схемы демпфирования обеспечивается только при условии выполнения неравенства (6).

Если магнитная связь между коллекторной 2 и защитной 11 обмотками оказывается недостаточной, то эффективность демпфирования будет невелика.

Для улучшения демпфирования применяются компенсирующая обмотка 13 и компенсирующий конденсатор 14. Сущность происходящих при этом процессов заключается в следующем.

Напряжение на конденсаторе 14, заряженном полярностью, показанной на схеме, в сумме с напряжением на компенсирующей обмотке 13 таково, что при открытом диоде 12 напряжение на коллекторе транзистора 1 ограничивается до уровня U_кми, определяемого выражением (4). Емкость конденсатора 14 велика, так что напряжение на нем за время демпфирования практически не изменяется. Поэтому избыток энергии, не погашенный демпфирующей цепью, состоящей из обмотки 11 и диода 12, не изменяет напряжения демпфирования U_кми.

Рассмотрим соотношения напряжений и чисел витков обмоток трансформатора 3, при которых выполняется эффективное демпфирование обмоткой 13 и конденсатором 14. При этом следует учитывать, что для повышения энергетической эффективности и исключения протекания паразитных токов через элементы необходимо, чтобы напряжение на конденсаторе 14 не изменялось при переходе транзистора 1 из закрытого состояния в открытое и наоборот.

Рассматривая падения напряжений на элементах схемы, можно записать следующее выражение для определения напряжения на конденсаторе 14 во время открытого состояния транзистора 1
U_c (E_п W_з/W_к) (E_п W_комп/W_к) (8)
где W_комп число витков компенсирующей обмотки 13.

Для этапа запертого состояния транзистора 1 при установившемся режиме напряжения на его коллекторе имеем
U_c E_п + (U_н W_к/W_н) + ((U_н W_комп/W_н) (U_н W_з/W_н). (9)
Приравнивая (8) и (9) для выполнения требований равенства напряжений на конденсаторе 14 при всех режимах работы, получим
U_н(W_к + W_комп W_з)/W_н E_п(W_з W_комп W_к)/W_к. (10)
Так как U_н/W_н или E_п/W_к не равны нулю, то одним из практически реализуемых решений уравнения (10) является следующее
(W_к + W_комп W_з) (W_з W_комп - W_к). (11)
Откуда требуемое число витков компенсирующей обмотки 13 определяется выражением
W_комп W_з W_к. (12)
При выполнении условия (12) напряжение на конденсаторе 14 не изменяется в процессе импульсной работы транзистора 1. Величина напряжения на конденсаторе 14 находится путем подстановки (12) в (8) или (9), в результате чего можно получить, что U_c Е_п.

Таким образом демпфирование коммутационного импульса коллекторного напряжения транзистора 1 обеспечивается при неизменном напряжении на конденсаторе 14. Так как число витков компенсационной обмотки 13 меньше, чем у обмоток 2 и 11, то демпфирование осуществляется с большей эффективностью, чем демпфирование при помощи обмотки 11 и диода 12. Однако демпфирование при помощи конденсатора 14 носит вспомогательную роль, так как наиболее энергоемкий перенос энергии, накопленной в индуктивности рассеяния, выполняется через диод 12 в источник E_п. Избыток энергии, остающийся на конденсаторе 14 от демпфирования, отводится во время установившегося значения коллекторного напряжения на запертом транзисторе 1.

Формула изобретения

1. Однотактный преобразователь постоянного напряжения в постоянное, содержащий транзистор, коллектор которого соединен с концом коллекторной обмотки трансформатора, началом подключенной к катоду диода и потенциальному входному выводу, общий входной вывод присоединен к эмиттеру транзистора и началу защитной обмотки трансформатора, концом подключенной к аноду диода и первому выводу конденсатора, цепь второго вывода которого присоединена к коллектору транзистора, при этом нагрузочная обмотка трансформатора через выпрямительный диод присоединена к фильтрующему конденсатору, соединенному с выходными выводами, отличающийся тем, что выпрямительный диод присоединен анодом к концу нагрузочной обмотки трансформатора, а количество витков защитной обмотки выбирается из условия
W_з≅E_пминW_н/U_н,
где E_пмин минимальное эксплуатационное напряжение первичного источника, подсоединенного к входным выводам;
W_н число витков нагрузочной обмотки трансформатора;
U_н напряжение на выходных выводах.

2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что в цепь второго вывода конденсатора введена компенсирующая обмотка трансформатора, началом подсоединенная к коллектору транзистора, число витков которой выбирается из условия
W_комп W_з W_к,
где W_з и W_к число витков защитной и компенсирующей обмоток соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1