Способ преобразования напряжения и ключевой преобразователь напряжения

 

Использование: при разработке вторичных источников электропитания, в экспериментальной технике и при производстве радиоэлектронной аппаратуры массового спроса. Сущность изобретения: в ключевом автогенераторе, охваченном цепями положительной обратной связи по выходному току и по выходному напряжению, сигналы положительной обратной связи по выходному току подают на управляющие электроды силовых ключей через ненасыщающуюся цепь обратной связи, а сигналы положительной обратной связи по выходному напряжению подают на управляющие электроды силовых ключей, преобразуют их с помощью насыщающего трансформатора, магнитный поток в сердечнике которого создают током, протекающим по первичной обмотке этого трансформатора при подаче на нее через токоограничивающий резистор напряжения, пропорционально выходному напряжению автогенератора. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Предлагаемые способ преобразования напряжения и ключевой преобразователь напряжения относятся к технике преобразования напряжения и могут быть использованы при разработке вторичных источников электропитания радиоэлектронной аппаратуры, отличающихся высокими надежностью, КПД и массо-габаритными показателями. Предлагаемое изобретение может найти широкое применение как в экспериментальной технике, так и в производстве радиоэлектронной аппаратуры массового спроса.

Известны способы преобразования напряжения, при которых силовые ключи, например, биполярные или полевые транзисторы, используются в качестве активных элементов автогенератора и образуют мостовую, полумостовую, двухтактную или иную схему, с выхода которой на управляющие электроды ключей подводятся сигналы положительной обратной связи.

В преобразователе напряжения, описанном в книге Дж. Ленка "Электронные схемы: Практическое руководство", пер. с англ.-М. Мир, 1985. 343 с. на стр. 112, реализован способ преобразования напряжения, при котором в автогенераторе с насыщающей нагрузкой используют положительную обратную связь по напряжению. Преобразователь выполнен по двухтактной схеме и содержит два мощных биполярных транзистора, включенных по схеме с общим эмиттером и работающих в ключевом режиме, выходной насыщающий трансформатор, который имеет дополнительные обмотки, с которых на базы транзисторов подаются сигналы положительной обратной связи по напряжению.

Основной недостаток этого способа состоит в том, что в процессе работы мощный выходной трансформатор периодически входит в режим насыщения, что приводит к большим энергопотерям как в трансформаторе, так и в транзисторах и, соответственно, к существенному снижению КПД и надежности преобразователя.

Указанный основной недостаток устраняется в способе преобразования напряжения, при котором в автогенераторе с ненасыщающей нагрузкой положительную обратную связь по напряжению осуществляют с помощью относительно маломощного насыщающегося трансформатора. Преобразователь напряжения такого типа описан, например, в книге Ромаша Э.М. "Источники вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры". М. Радио и связь, 1981. 224 с. на стр. 151.

Этот преобразователь также выполнен по двухтактной схеме и содержит два силовых ключа, в качестве которых используются биполярные транзисторы, выходной ненасыщающийся трансформатор с обмоткой обратной связи, к которой через токоограничивающий резистор подключена первичная обмотка маломощного насыщающегося трансформатора, вторичные обмотки которого подключены к базам транзисторов.

Подключение такой схемы происходит в те моменты времени, когда маломощный трансформатор входит в режим насыщения. При этом выходной трансформатор работает в линейном режиме, что повышает КПД преобразователя. Однако применение только положительной обратной связи по напряжению при изменении нагрузки преобразователя, а также при значительных изменениях температуры окружающей среды требует больших энергозатрат в цепях управления, достигающих 15% Это обстоятельство отмечается, например, в статье Степанова Ю.Б. Лукина А.В. Опадчего Ю.Ф. "Функциональные узлы интегрально-гибридных ВИП". в сборнике "Электронная техника в автоматике" /Под ред. Ю.И.Конева. М. Сов. радио, 1980, вып. 11, с. 16 24.

Прототипом предлагаемого изобретения является один из наиболее совершенных, известных в настоящий момент способов преобразования напряжения, при котором в ключевом автогенераторе с самовозбуждением на управляющие электроды силовых ключей подают с выхода автогенератора сигналы положительной обратной по напряжению и сигналы положительной обратной связи по току, протекающему в цепи нагрузки, причем сигналы положительной обратной связи по напряжению подают с выхода автогенератора на управляющие электроды силовых ключей, преобразуя их с помощью насыщающегося трансформатора, магнитный поток в сердечнике которого создают током, протекающим по первичной обмотке этого трансформатора при подаче на нее через токоограничивающий резистор напряжения, пропорционального выходному напряжению автогенератора.

Сигналы положительной обратной связи по току подают на управляющие электроды силовых ключей с помощью этого же трансформатора, пропуская по его дополнительной обмотке ток, пропорциональный выходному току автогенератора.

В отечественной литературе имеются многочисленные публикации, представленные журнальными статьями и сборниками статей, посвященные разработке преобразователей напряжения, реализующих данный способ. В статьях отмечается его высокая эффективность по сравнению с рассмотренными выше. Так, в статье Кузьмина Ю. П. Мифтахутдинова Р.К. Мосина В.В. Опадчего Ю.Ф. "Транзисторный преобразователь сетевого напряжения" в сборнике "Электронная техника в автоматике" / Под ред. Ю.И.Конева, 1986, вып. 17, с. 136 141 показано, что положительная обратная связь по току обеспечивает уменьшение потерь на управление силовыми ключами, а положительная обратная связь по напряжению способствует автоматическому симметрированию перемагничивания выходного трансформатора, используемого в качестве нагрузки преобразователя.

Данный способ реализован в двухтактных, мостовых и полумостовых преобразователях, КПД которых может превышать 80% Анализ литературных и патентных данных показывает, что впервые этот способ преобразования напряжения был реализован в транзисторном инверторе, описанном в патенте США N 4031454, МКИ H 02 M 3/335, 1977. Инвертор выполнен по полумостовой схеме и содержит источник напряжения постоянного тока, имеющий три вывода, выходной трансформатор с первичной и вторичными обмотками, первый и второй биполярные транзисторы. Коллектор и эмиттер первого и второго транзисторов соединены между собой и подключены через первичную обмотку выходного трансформатора к среднему выводу источника напряжения. Инвертор содержит входной трансформатор, имеющий насыщающийся сердечник, обмотку обратной связи по напряжению, две управляющие напряжением обмотки, выводы которых подключены к базам и эмиттерам, соответственно, первого и второго транзисторов.

Вторичная обмотка выходного трансформатора подключена через токоограничивающий резистор к обмотке положительной обратной связи по напряжению входного трансформатора. Имеется цепь для подачи обратно к входному трансформатору части первичного тока, протекающего через первичную обмотку выходного трансформатора. Как видно из принципиальной схемы этого инвертора, положительная обратная связь по току осуществляется трансформатором, первичная обмотка которого включена последовательно с первичной обмоткой выходного трансформатора, а вторичная обмотка подкючена к обмотке обратной связи по току входного трансформатора. Эмиттер первого и коллектор второго транзисторов подключены, соответственно, к отрицательному и положительному выводу источника напряжения постоянного тока.

Прототипом предполагаемого изобретения, реализующего заявляемый способ преобразования напряжения, является преобразователь напряжения, опубликованный в статье Кузьмина Ю.П. Мифтахутдинова Р.К. Мосина В.В. Опадчего Ю.Ф. "Транзисторный преобразователь сетевого напряжения" в сборнике "Электронная техника в автоматике" / Под ред. Ю.И.Конева, 1986, вып. 17, с. 136 141. Преобразователь напряжения выполнен по полумостовой схеме и содержит первый и второй силовые ключи, в качестве которых используются мощные биполярные транзисторы обратной проводимости. Коллектор первого транзистора подключен к положительному полюсу источника питания, а эмиттер второго к отрицательному полюсу. Точка соединения эмиттера первого и коллектора второго транзисторов подключена через последовательно соединенные обмотку обратной связи по току управляющего насыщающего трансформатора и первичную обмотку выходного трансформатора к средней точке источника питания. Обмотка обратной связи выходного трансформатора подключена через токоограничивающий резистор к обмотке обратной связи по напряжению управляющего насыщающего трансформатора. Выводы двух управляющих обмоток управляющего насыщающего трансформатора подключены к базам и эмиттерам, соответственно, первого и второго транзисторов.

Авторами работы рассмотрены основные преимущества такого способа преобразования напряжения и разработан источник вторичного электропитания, имеющий КПД 88% Хотя этот способ преобразования напряжения и является одним из наиболее совершенных, однако и он имеет определенные недостатки. Основной недостаток заключается в том, что как сигналы положительной обратной связи по току, так и сигналы положительной обратной связи по напряжению, подводимые с выхода автогенератора на вход силовых ключей, передаются с помощью одного и того же элемента, а именно, управляющего насыщающего трансформатора, который периодически вводится в режим насыщения сигналами положительной обратной связи по напряжению (ввод в режим насыщения управляющего трансформатора сигналами положительной обратной связи по напряжению необходим для периодического переключения схемы).

Совмещение этих нескольких функций в одном элементе нерационально и не позволяет произвести раздельную оптимизацию как цепи положительной обратной связи по току, так и цепи положительной обратной связи по напряжению.

Во-первых, это обстоятельство негативно влияет на цепь положительной обратной связи по току. В периоды времени, когда управляющий насыщающий трансформатор начинает входить в режим насыщения (это используется для переключения схемы), магнитная проницаемость его сердечника уменьшается, что приводит к возрастанию индуктивности рассеяния трансформатора и увеличению потерь передаваемых им сигналов. В результате в эти периоды времени эффективность действия положительной обратной связи по току резко снижается, что ведет к замедлению процесса переключения схемы и росту динамических потерь в силовых ключах. Возрастает также вероятность появления сквозных токов, в результате снижается надежность работы преобразователя, накладываются ограничения на увеличение частоты преобразования, а также массо-габаритных показателей.

С другой стороны, совмещение нескольких функций в управляющем насыщающем трансформаторе негативно сказывается и на эффективности цепи положительной обратной связи по напряжению. Эффективная передача сигналов положительной обратной связи по току для управления мощными силовыми ключами требует применения управляющего насыщающего трансформатора с магнитопроводом достаточно большого сечения. Кроме того, обычно, как в схеме преобразователя, являющегося прототипом, для получения сигнала положительной обратной связи по току весь выходной ток преобразователя пропускают через обмотку положительной обратной связи по току управляющего насыщающего трансформатора. Амплитуда выходного тока преобразователя при выходной мощности десятки сотни ватт может быть достаточно большой, особенно при питании от низковольтных источников, например, от бортовой сети автомобиля.

Поэтому сечение магнитопровода управляющего насыщающегося трансформатора должно быть достаточно большим, чтобы он не входил в насыщение под воздействием сигналов положительной обратной связи по току, что нарушило бы работу системы. Но в любом случае для переключения схемы сигналы положительной обратной связи по напряжению должны периодически вводить управляющий насыщающий трансформатор в режим насыщения.

Периодическое перемагничивание и ввод в насыщение магнитопровода большого сечения требует больших энергозатрат. Возрастают также и энергозатраты в токоограничивающем резисторе, через который сигналы положительной обратной связи по напряжению поступают на обмотку обратной связи по напряжению управляющего насыщающегося трансформатора. В результате существенно уменьшается КПД всего устройства.

Решаемая техническая задача в предлагаемом изобретении заключается в уменьшении времени переключения силовых ключей, уменьшении потерь в элементах схемы преобразователя напряжения, повышения КПД, надежности работы, а также в улучшении его массо-габаритных показателей.

Решение поставленной задачи в предлагаемом способе преобразования напряжения, заключающемся в том, что в ключевом автогенераторе с самовозбуждением на управляющие электроды силовых ключей подают с выхода автогенератора сигналы положительной обратной связи по напряжению и сигналы положительной обратной связи по току, протекающему в цепи нагрузки, достигается тем, что сигналы положительной обратной связи, пропорциональные выходному току автогенератора, подают на управляющие электроды силовых ключей через ненасыщающуюся цепь обратной связи, а сигналы положительной обратной связи по напряжению подают с выхода автогенератора на управляющие электроды силовых ключей, преобразуя их с помощью насыщающегося трансформатора, магнитный поток в сердечнике которого создается током, протекающим по первичной обмотке этого трансформатора при подаче на нее через включенный последовательно с ней токоограничивающий резистор напряжения, пропорционального выходному напряжению автогенератора.

Решение поставленной задачи в предлагаемом ключевом преобразователе напряжения, содержащем источник питания, один полюс которого подключен к выходному электроду первого силового ключа, а другой полюс к общей шине, с которой соединен входной электрод второго силового ключа, выходной ненасыщающийся трансформатор содержащий выходную вторичную обмотку и обмотку положительной обратной связи по напряжению, начало которой подключено к первому выводу токоограничивающего резистора, причем начало первичной обмотки выходного ненасыщающегося трансформатора подключено к концу обмотки положительной обратной связи по току управляющего трансформатора, начало которой подключено к точке соединения выходного электрода второго силового ключа с входным электродом первого силового ключа и концом первой управляющей обмотки управляющего трансформатора, начало которой подключено к управляющему электроду первого силового ключа, начало и конец второй управляющей обмотки управляющего трансформатора подключены, соответственно, к общей шине и к управляющему электроду второго силового ключа, причем управляющий трансформатор имеет обмотку положительной обратной связи по напряжению, достигается тем, что управляющий трансформатор выполнен ненасыщающимся, а конец первичной обмотки выходного ненасыщающегося трансформатора подключен к точке соединения входного электрода третьего силового ключа и выходного электрода четвертого силового ключа с началом третьей управляющей обмотки управляющего трансформатора, конец которой подключен к управляющему электроду третьего силового ключа, выходной электрод которого соединен с выходным электродом первого силового ключа, конец и начало четвертой управляющей обмотки управляющего трансформатора подключены, соответственно, к общей шине и управляющему электроду четвертого силового ключа, входной электрод которого соединен с общей шиной, начало и конец обмотки положительной обратной связи по напряжению управляющего трансформатора подключены, соответственно, к началу и концу вторичной обмотки насыщающегося переключающегося трансформатора, начало и конец первичной обмотки которого подключены, соответственно, к второму выводу токоограничивающего резистора и концу обмотки положительной обратной связи по напряжению выходного ненасыщающегося трансформатора.

Предложенные технические решения по способу преобразования напряжения и по ключевому преобразователю напряжения удовлетворяют критерию "Изобретательский уровень", так как предложенные отличительные признаки в представленных к рассмотрению способе и устройстве позволяют получить новое "Свойство", заключающееся в том, что сигналы положительной обратной связи по току и сигналы положительной обратной связи по напряжению передаются по разным цепям, что исключает их негативное влияние друг на друга. Это позволяет раздельно оптимизировать каждую из цепей обратной связи и обеспечить максимально достижимые характеристики разрабатываемых устройств преобразования напряжения.

Так, глубина положительной обратной связи по току уже не зависит от степени насыщения магнитопровода насыщающегося трансформатора, включенного в цепь положительной обратной связи по напряжению. Это обеспечивает высокую эффективность положительной обратной связи по току на всех этапах работы преобразователя, включая этапы переключения. В результате ускоряется процесс переключения схемы, снижаются динамические потери, повышается КПД, увеличивается надежность работы преобразователя за счет уменьшения вероятности появления сквозных токов, появляется возможность повышения частоты преобразования и, следовательно, улучшения его массо-габаритных показателей.

С другой стороны, в цепи положительной обратной связи по напряжению теперь требуется насыщающий трансформатор с очень малым сечением магнитопровода, так как никакие другие сигналы по этому трансформатору больше не передаются. Соответственно уменьшаются и затраты энергии на периодическое перемагничивание и ввод в насыщение такого магнитопровода. Уменьшаются также энергозатраты и в токоограничивающем резисторе. Это резко снижает потери энергии в данной цепи обратной связи и дополнительно повышает КПД всего преобразователя.

На чертеже приведена принципиальная схема ключевого преобразователя напряжения, реализующего способ преобразования напряжения.

Ключевой преобразователь напряжения выполнен по мостовой схеме и содержит источник 1 питания, один полюс которого подключен к точке соединения выходных электродов третьего 2 и первого 3 силовых ключей, например, стоков мощных полевых транзисторов, а другой полюс к общей шине, с которой соединены входные электроды четвертого 4 и второго 5 силовых ключей, например, стоки мощных полевых транзисторов, нагрузку, например, выходной ненасыщающийся трансформатор 6, конец первичной обмотки 7 которого подключен к точке соединения входного электрода третьего силового ключа 2 и выходного электрода четвертого силового ключа 4.

Начало первичной обмотки 7 выходного ненасыщающегося трансформатора 6 подключено к концу обмотки 8 положительной обратной связи по току управляющего трансформатора 9, начало которой подключено к точке соединения выходного электрода второго силового ключа 5 с входным электродом первого силового ключа 3 и концом первой управляющей обмотки 10 управляющего трансформатора 9, начало которой подключено к управляющему электроду первого силового ключа 3, например, к затвору мощного полевого транзистора. Начало второй 11 и конец четвертой 12 управляющих обмоток управляющего трансформатора 9 подключены к общей шине, а конец второй 11 и начало четвертой 12 управляющих обмоток управляющего трансформатора 9 подключены к управляющим электродам, соответственно, второго 5 и четвертого 4 силовых ключей. Начало и конец третьей управляющей обмотки 13 управляющего трансформатора 9 подключены, соответственно, к входному и управляющему электродам третьего силового ключа 2, начало и конец обмотки 14 положительной обратной связи по напряжению управляющего трансформатора 9 подключены, соответственно, к началу и концу вторичной обмотки 15 насыщающегося переключающегося трансформатора 16, начало первичной обмотки 17 которого подключено через токоограничивающий резистор 18 к началу обмотки 19 положительной обратной связи по напряжению выходного ненасыщающегося трансформатора 6, конец которой соединен с концом первичной обмотки 17 насыщающегося переключающего трансформатора 16. Выходное напряжение снимается со вторичной обмотки 20 выходного ненасыщающегося трансформатора 6.

Рассмотрим осуществление предложенного способа преобразования напряжения и работу ключевого преобразователя напряжения.

Ключевой преобразователь напряжения работает следующим образом.

Пусть в какой-то начальный момент времени открыты первый и четвертый силовые ключи 3 и 4, а третий и второй силовые ключи 2 и 5 заперты. В этом случае начало первичной обмотки 7 выходного ненасыщающегося трансформатора 6 подключено через соединенные последовательно обмотку 8 положительной обратной связи по току управляющего трансформатора 9 и открытый силовой ключ 3 к незаземленному полюсу источника питания 1, а ее конец через открытый силовой ключ 4 подключен к общей шине. Напряжение, передаваемое с обмотки 19 положительной обратной связи по напряжению выходного ненасыщающегося трансформатора 6 через насыщающийся переключающий трансформатор 16 и управляющий трансформатор 9, подводится через первую, вторую, четвертую и третью управляющие обмотки 10, 11, 12 и 13 управляющего трансформатора 9 ко всем силовым ключам таким образом, что на управляющих электродах первого 3 и четвертого 4 силовых ключей действует отпирающий потенциал относительно входных электродов этих же силовых ключей, а на управляющих электродах третьего 2 и второго 5 силовых ключей действует запирающий потенциал.

Выходной ток, протекающий по обмотке 8 положительной обратной связи по току управляющего трансформатора 9, создает на активном сопротивлении данной обмотки падение напряжения, пропорциональное этому току, которое на цепи обмотки 8 положительной обратной связи управляющего трансформатора 9 трансформируется в цепи его первой, второй, четвертой и третьей управляющих обмоток 10-14 в такой же полярности, что и сигналы положительной обратной связи по напряжению. Таким образом, сигналы положительной обратной связи по току и по напряжению суммируются управляющим трансформатором 9, так как в его магнитопроводе суммируются магнитные потоки, создаваемые токами, протекающими по обмотке 8 положительной обратной связи по току и обмотке 14 положительной обратной связи по напряжению.

В начальные моменты времени переключающий насыщающийся трансформатор 16 работает в линейном режиме и не входит в режим насыщения. В это время схема находится в первом квазиустойчивом состоянии, и на нагрузке формируется первая полуволна выходного напряжения.

Сечение магнитопровода переключающего насыщающегося трансформатора 16 выбрано достаточно малым для того, чтобы он первым из имеющихся в схеме трансформаторов входил в режим насыщения. Поэтому в процессе работы выходной ненасыщающийся трансформатор 6 и управляющий трансформатор 9 насыщаться не будут. По истечении определенного времени магнитопровод переключающего насыщающегося трансформатора 16 начинает входить в насыщение. При этом потребляемый его первичной обмоткой 17 ток начинает возрастать, и падение напряжения на токоограничивающем резисторе 18 увеличивается. В результате напряжение, подводимое к первичной обмотке 17 переключающего насыщающегося трансформатора 16, уменьшается, уменьшается и сигнал положительной обратной связи по напряжению, передаваемый с этого трансформатора через управляющий трансформатор 9 на управляющие электроды третьего, первого, четвертого и второго силовых ключей 2-5. Первый и четвертый силовые ключи 3 и 4 начинают закрываться, а запирающее напряжение на управляющих электродах третьего и второго силовых ключей 2 и 5 начинает уменьшаться. Напряжение на нагрузке и выходной ток также начинают уменьшаться. В результате напряжение, наводимое во всех управляющих обмотках 10-13 управляющего трансформатора 9 за счет протекания выходного тока по его обмотке 8 положительной обратной связи по току, также начинает уменьшаться.

Таким образом, согласно фундаментальному свойству положительной обратной связи (Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. Учебник для вузов. Изд. 2-е, переработанное и дополненное. М. Сов.радио, 1971. 672 с. на стр. 276), ненасыщающаяся цепь положительной обратной связи по току поддерживает начавшееся уменьшение выходного тока. Развивается регенеративный процесс переключения схемы. Этот регенеративный процесс ускоряет закрывание первого 3 и четвертого 7 силовых ключей. Наступает момент, когда все силовые ключи закрыты (первый 3 и четвертый 4 силовые ключи уже заперты, а третий 2 и второй 5 силовые ключи еще не открылись). В этот момент полный выходной ток, протекающий в цепи нагрузки, становится равным нулю. Нагрузка преобразователя напряжения представляет собой первичную обмотку 7 выходного ненасыщающегося трансформатора 6. Ее эквивалентная схема содержит включенные параллельно индуктивность и паразитную емкость. Ток в этой индуктивности не может прекратиться мгновенно с прекращением полного выходного тока и продолжает течь в прежнем направлении, разряжая до нулевого напряжения, а затем и перезаряжая паразитную емкость первичной обмотки 7 выходного ненасыщающегося трансформатора 6. При этом напряжение на концах этой обмотки изменяет свою полярность на противоположную. В этот момент насыщающийся переключающий трансформатор 16 выходит из режима насыщения, так как величина напряжения, подаваемого на его первичную обмотку 17 с обмотки 19 положительной обратной связи по напряжению выходного ненасыщающегося трансформатора 6 в это время мала, и коэффициент передачи цепи положительной связи по напряжению становится высоким. Поэтому, как только напряжение на первичной обмотке 7 выходного ненасыщающегося трансформатора 6 изменит свою полярность, цепь положительной обратной связи по напряжению передаст сигналы положительной обратной связи через управляющий трансформатор 9 на управляющие электроды силовых ключей в такой полярности, что ранее запертые третий 2 и второй 5 силовые ключи начинают открываться, а первый 3 и четвертый 4 силовые ключи запираются еще сильнее. После открывания третьего 2 и второго 5 силовых ключей полный ток в цепи нагрузки начинает протекать в противоположном первоначальному направлении и возрастать по величине. Напряжение на первичной обмотке 7 выходного ненасыщающегося трансформатора 6 (также противоположное по знаку первоначальному) тоже возрастает. Эти изменения выходного тока и напряжения поддерживаются действием цепей положительной обратной связи по току и по напряжению, что ускоряет процесс переключения силовых ключей.

Благодаря тому, что управляющий трансформатор 9 не входит в режим насыщения, его коэффициент передачи остается высоким на всех этапах работы схемы, поэтому глубина положительной обратной связи по току также остается высокой и в моменты переключения. Это обеспечивает ускорение процесса переключения по сравнению с прототипом. Отметим, что выходное напряжение начинает уменьшаться после того, как второй и третий силовые ключи 3 и 4 выйдут из режима насыщения и начнут закрываться. Только тогда положительная обратная связь по току начинает ускорять процесс запирания силовых ключей.

Таким образом, сочетание ненасыщающейся цепи положительной обратной связи по току и насыщающейся цепи положительной обратной связи по напряжению обеспечивает (при минимальном количестве элементов в схеме преобразователя напряжения) автоматическую синхронизацию моментов форсированного запирания и отпирания силовых ключей. Благодаря этому процесс переключения происходит очень быстро, а вероятность появления сквозных токов резко уменьшается. В результате динамические потери в элементах схемы преобразователя сводятся к минимуму, а КПД и надежность его работы возрастают.

Далее схема переходит в новое квазиустойчивое состояние, при котором первый 3 и четвертый 4 силовые ключи заперты, а третий 2 и второй 5 силовые ключи полностью открыты. Это состояние будет длиться, пока магнитопровод переключающего насыщающегося трансформатора 16 снова не начнет входить в насыщение. На нагрузке в это время формируется вторая полуволна выходного напряжения. Затем процессы повторяются.

По разработанной схеме был собран опытный образец преобразователя на деталях следующего типа.

В качестве силовых ключей 2-5 использовались переключательные полевые транзисторы с изолированным затвором типа КП921А. Они имеют напряжение отсечки в пределах +3 +8 В, поэтому при нулевом потенциале на затворе относительно истока транзисторы заперты. Это также способствует уменьшению вероятности появления сквозных токов при переключении схемы и повышению надежности ее работы. Выходной ненасыщающийся трансформатор 6 намотан на магнитопроводе, состоящем из двух ферритовых колец марки К32х16х12 М1500 НМ1-Б, его первичная обмотка 7 содержит шесть витков медного провода диаметром 1,5 мм, обмотка 19 положительной обратной связи по напряжению содержит два витка провода диаметром 0,5 мм, выходная вторичная обмотка 20 содержит семьдесят восемь витков провода диаметром 0,35 мм.

По обмотке 8 положительной обратной связи по току управляющего трансформатора 9 протекает весь выходной ток. Чтобы этот трансформатор не заходил в режим насыщения, сечение его магнитопровода выбрано достаточно большим. Поэтому он намотан на ферритовом кольце марки К32х16х12 М1500 НМ1-Б. Первая, вторая, четвертая и третья управляющие обмотки 10-13 содержат по двадцать три витка провода диаметром 0,27 мм. Обмотка 8 положительной обратной связи по току состоит из одного витка провода диаметром 1,5 мм, обмотка 14 положительной обратной связи по напряжению содержит четыре витка провода диаметром 0,5 мм.

Насыщающийся переключающий трансформатор 16 выполнен на магнитопроводе меньшего сечения (кольцо марки К20х12х6 М1500 НМ-А). Его вторичная обмотка 15 содержит шесть витков провода диаметром 0,27 мм, первичная обмотка 17 содержит 12 витков этого же провода. Сопротивление токоограничивающего резистора 18 составляло 3 ома. Величина напряжения источника питания 1 равнялось двенадцати вольтам, что соответствует, например, напряжению бортовой сети автомобиля.

Параметры вырабатываемых импульсных напряжений в различных точках схемы контролировались с помощью осциллографа С1-65А. Постоянное напряжение источника питания 1 и величина сопротивления нагрузки, подключаемой к выходной вторичной обмотке 20 выходного ненасыщающегося трансформатора 6, проверялись цифровым измерительным прибором В7-27.

При указанных значениях элементов схемы преобразователь вырабатывал переменное напряжение прямоугольной формы типа "меандр" со следующими параметрами: Длительность фронтов прямоугольных импульсов на первичной обмотке 7 выходного трансформатора 6 не превышала 1,2 микросекунд. Частота следования вырабатываемых импульсов составляла 25 килогерц.

По результатам измерения напряжения на известной нагрузке, подключенной к выходной вторичной обмотке 20 выходного ненасыщающегося трансформатора 6, а также результатам измерения напряжения источника питания 1 и тока, потребляемого преобразователем, был определен КПД разработанного устройства. При мощности 37 ватт, выделяемой в нагрузке, КПД составил 97% Далее проверялась эффективность действия цепей положительной обратной связи по току и по напряжению. Для этого плавно уменьшалось напряжение питания вплоть до срыва генерации преобразователя. Срыв колебаний происходил при напряжении питания 3 вольта, что свидетельствует о высокой эффективности действующих в разработанной схеме цепей положительной обратной связи.

Для оценки полученных результатов схема преобразователя была изменена таким образом, чтобы был реализован принцип действия прототипа. Для этого насыщающийся переключающий трансформатор 16 был исключен из схемы, а свободный вывод токоограничивающего резистора 18 был подключен к началу обмотки 14 положительной обратной связи по напряжению управляющего трансформатора 9, конец этой обмотки 14 подключался к концу обмотки 19 положительной обратной связи по напряжению выходного ненасыщающегося трансформатора 6.

При таком включении управляющий трансформатор 9 в процессе работы преобразователя периодически вводился в режим насыщения.

Результаты экспериментов с данной схемой, выполненных при прочих равных условиях, показали, что длительность фронтов формируемых на первичной обмотке 7 выходного ненасыщающегося трансформатора 6 импульсов увеличились до 2,4 микросекунд, КПД преобразователя при работе на ту же нагрузку уменьшился до 92% а срыв генерации преобразователя происходил при снижении напряжения питания до 5 вольт.

Сопоставление результатов экспериментальных исследований двух схем подтверждает вывод, что применение ненасыщающейся цепи положительной обратной связи по току и насыщающейся цепи положительной обратной связи по напряжению выгодно отличают предлагаемые способ преобразования напряжения и ключевой преобразователь напряжения от прототипа, поскольку раздельное применение этих цепей обратной связи позволяет оптимизировать каждую из них в отдельности и обеспечить максимально достижимые характеристики разрабатываемых устройств преобразования напряжения.

Ненасыщающаяся цепь положительной обратной связи по току обеспечивает ее высокую эффективность на всех этапах работы, включая моменты переключения. В результате, при минимальном количестве элементов в схеме преобразователя напряжения, производится автоматическая синхронизация моментов форсированного запирания и отпирания силовых ключей. Благодаря этому процесс переключения происходит очень быстро, а вероятность появления сквозных токов резко уменьшается. В результате динамические потери в элементах преобразователя сводятся к минимуму, а КПД и надежность его работы возрастают. Одновременно уменьшается длительность фронтов формируемых на нагрузке импульсов, что позволяет повысить частоту преобразования и, соответственно, улучшить массо-габаритные показателя всего устройства.

С другой стороны, применение раздельных цепей положительной обратной связи по току и по напряжению позволяет выбирать в цепи положительной обратной связи по напряжению насыщающийся переключающий трансформатор с очень малым сечением магнитопровода, так как никакие другие сигналы по этому трансформатору не передаются. В результате обеспечивается минимизация потерь на периодическое перемагничивание и ввод в насыщение магнитопровода этого трансформатора, а также потерь в токоограничивающем резисторе, что дополнительно повышает КПД.

В конечном итоге, полные потери в элементах схемы разработанного преобразователя были уменьшены почти в три раза с 8% до 3% по сравнению со схемой прототипа, а КПД существенно увеличен с 92% до 97% причем высокий КПД был получен при низковольтном питании (12 В). Это дополнительно свидетельствует о высокой эффективности действующих в разработанной схеме цепей положительной обратной связи.

Можно отметить, что в случаях, когда не требуется производить преобразование амплитуды вырабатываемого напряжения, выходной ненасыщающийся трансформатор можно из схемы исключить, а нагрузку включить вместо его первичной обмотки. При этом оставшиеся свободными выводы токоограничительного резистора 18 и первичной обмотки 17 насыщающегося переключающегося трансформатора 16 нужно подключить параллельно нагрузке.

Таким образом, предлагаемый способ преобразования напряжения и разработанный на его основе ключевой преобразователь напряжения дают положительный эффект, заключающийся в существенном повышении КПД, надежности работы, а также массо-габаритных показателей преобразователей напряжения, что, в конечном итоге, является основным движущим стимулом при разработке вторичных источников электропитания радиоэлектронной аппаратуры.

Высокая эффективность предлагаемого способа преобразования напряжения и ключевого преобразователя напряжения, а также актуальность затронутой темы, подтверждается большим количеством публикаций, посвященных исследованию устройств, реализующих способ преобразования напряжения, являющийся прототипом, идея которого лежит в основе работы транзисторного инвертора, впервые опубликованного в патенте США N 4031454, кл. H 02 M 3/335, позволяют сделать заключение, что предлагаемое изобретение относится к изобретениям мирового уровня и возможно его патентование за рубежом.

Формула изобретения

1. Способ преобразования напряжения, при котором в ключевом автогенераторе с самовозбуждением на управляющие электроды силовых ключей подают с выхода автогенератора сигналы положительной обратной связи по напряжению и сигналы положительной обратной связи по току, протекающему в цепи нагрузки, отличающийся тем, что сигналы положительной обратной связи, пропорциональные выходному току автогенератора, подают на управляющие электроды силовых ключей через ненасыщающуюся цепь обратной связи, а сигналы положительной обратной связи по напряжению подают с выхода автогенератора на управляющие электроды силовых ключей, преобразуя их с помощью насыщающегося трансформатора, магнитный поток в сердечнике которого создают током, протекающим по первичной обмотке этого трансформатора при подаче на нее через включенный последовательно с ней токоограничивающий резистор напряжения, пропорционального выходному напряжению автогенератора.

2. Ключевой преобразователь напряжения, содержащий источник питания, один полюс которого подключен к выходному электроду первого силового ключа, а другой полюс к общей шине, с которой соединен входной электрод второго силового ключа, выходной ненасыщающийся трансформатор, содержащий выходную вторичную обмотку и обмотку положительной обратной связи по напряжению, начало которой подключено к первому выводу токоограничивающего резистора, причем начало первичной обмотки выходного ненасыщающегося трансформатора подключено к концу обмотки положительной обратной связи по току управляющего трансформатора, начало которой подключено к точке соединения выходного электрода второго силового ключа с входным электродом первого силового ключа и концом первой управляющей обмотки управляющего трансформатора, начало которой подключено к управляющему электроду первого силового ключа, начало и конец второй управляющей обмотки управляющего трансформатора подключены соответственно к общей шине и к управляющему электроду второго силового ключа, причем управляющий трансформатор имеет обмотку положительной обратной связи по напряжению, отличающийся тем, что управляющий трансформатор выполнен ненасыщающимся, а конец первичной обмотки выходного ненасыщающегося трансформатора подключен к точке соединения входного электрода третьего силового ключа и выходного электрода четвертого силового ключа с началом третьей управляющей обмотки управляющего трансформатора, конец которой подключен к управляющему электроду третьего силового ключа, выходной электрод которого соединен с выходным электродом первого силового ключа, конец и начало четвертой управляющей обмотки управляющего трансформатора подключены соответственно к общей шине и управляющему электроду четвертого силового ключа, входной электрод которого соединен с общей шиной, начало и конец обмотки положительной обратной связи по напряжению управляющего трансформатора подключены соответственно к началу и концу вторичной обмотки насыщающегося переключающего трансформатора, начало и конец первичной обмотки которого подключены соответственно к второму выводу токоограничивающего резистора и концу обмотки положительной обратной связи по напряжению выходного ненасыщающегося трансформатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1