Преобразователь постоянного напряжения

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам преобразования постоянного напряжения с применением управляемых полупроводниковых приборов - транзисторов и может быть использовано во вторичных источниках питания. Техническим результатом является расширение области применения в сторону более высоких напряжений питания или расширение ассортимента транзисторов и диодов, допустимых к применению, при одновременном упрощении силовых трансформаторов, уменьшении массы и габаритов преобразователя. Преобразователь постоянного напряжения содержит два управляемых в противофазе однотактных инвертора, конденсатор формирования области безопасной работы транзисторов инвертора и два разделительных диода, и общую для инверторов выпрямительную нагрузку. Указанный технический результат обеспечивается за счет использования в преобразователе постоянного напряжения более простых трансформаторов с меньшим количеством многовитковых обмоток и общего узла формирования области безопасной работы транзисторов инвертора. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам преобразования постоянного напряжения с применением управляемых полупроводниковых приборов - транзисторов и может быть использовано, например, в импульсных сетевых источниках вторичного электропитания.

Известен преобразователь постоянного напряжения, содержащий два противофазно управляемых инвертора, выполненных по однотактной мостовой схеме, каждый из которых содержит первичную обмотку силового трансформатора, транзисторный коммутатор, включенный между шинами общего для инверторов источника питания и два обратных диода, соединенных с шинами источника питания [1].

Недостатки известного преобразователя - снижение надежности и КПД, необходимость параллельного включения транзисторов в коммутаторе, обусловлены отсутствием в нем конденсатора формирования области безопасной работы транзисторов и транзисторных коммутаторов.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является преобразователь постоянного напряжения, содержащий два однотактных инвертора, каждый из которых содержит первичную обмотку силового трансформатора и транзисторный коммутатор, включенный между шинами общего для инверторов источника питания, а также два обратных диода, каждый из которых соединен первым выводом с соответствующей шиной источника питания и включен с направлением проводимости, обратным направлению тока через него от действия напряжения источника питания, содержащий также формирующий конденсатор, соединенный первым выводом с разноименными выводами двух разделительных диодов [2].

Недостатки известного устройства - повышенное напряжение на транзисторах и обратных диодах и, как следствие, высокие динамические потери мощности и сужение их ассортимента, допустимого к применению, сложность и снижение технологичности трансформатора из-за необходимости в нем многовитковой дополнительной обмотки, обеспечивающей формирование области безопасной работы транзисторов, и также повышение массы трансформаторов и теплоотводов для транзисторов и диодов.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение обратного напряжения на транзисторах и обратных диодах, уменьшение динамических потерь в них, расширение их ассортимента, допустимого к применению, упрощение трансформаторов, улучшение их технологичности, снижение массы и габаритов преобразователя.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в преобразователе постоянного напряжения, содержащем два однотактных инвертора, каждый из которых содержит первичную обмотку силового трансформатора, транзисторный коммутатор, включенный между шинами общего для инверторов источника питания, а также два обратных диода, каждый из которых соединен первыми выводами с соответствующей шиной источника питания с направлением проводимости, обратным направлению тока от источника питания, содержащий также формирующий конденсатор, соединенный первым выводом с разноименными первыми выводами двух разделительных диодов, предложены новые признаки: каждый транзисторный коммутатор выполнен на двух транзисторах, между которыми включена первичная обмотка силового трансформатора, каждый обратный диод вторым выводом соединен с одним выводом первичной обмотки силового трансформатора с направлением проводимости, совпадающим с направлением реактивного тока соединенной с диодом первичной обмотки при запирании транзисторов транзисторного коммутатора, второй вывод формирующего конденсатора соединен с точкой непосредственного соединения первых разноименных выводов первичных обмоток силовых трансформаторов, второй вывод каждой из которых соединен со вторым выводом соответствующего разделительного диода, включенного с направлением проводимости, совпадающим с направлением реактивного тока соединенной с ними первичной обмотки через формирующий конденсатор при запирании транзисторов транзисторного коммутатора соответствующего инвертора.

На чертеже приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого преобразователя постоянного напряжения.

Преобразователь постоянного напряжения содержит шины 1, 2 источника питания, общего для инверторов 3, 4, содержащих транзисторные коммутаторы соответственно на транзисторах 5, 6 и 7, 8, включенные между ними первичные обмотки 9, 10 силовых трансформаторов соответственно 11, 12 со вторичными обмотками 13, 14, соединенными с общей выпрямительной нагрузкой 15, обратные диоды 16, 17 и 18, 19, а также формирующий конденсатор 20 и разделительные диоды 21, 22.

Транзисторы 5, 6 и 7, 8 включены с направлением проводимости, совпадающим с направлением тока источника питания от шины 1 к шине 2, выводы первичных обмоток 9, 10 соединены с шинами питания 1, 2 через обратные диоды 16, 17 и 18, 19 соответственно, причем обратные диоды включены с направлением проводимости, обратным направлению тока, через диоды от действия источника питания. Начало первичной обмотки 9 соединено непосредственно с концом обмотки 10 и вторым выводом формирующего конденсатора 20, первый вывод которого соединен с первыми разноименными выводами разделительных диодов 21, 22, вторые выводы которых соединены с вторыми выводами первичных обмоток 9, 10. Причем диоды включены с направлением проводимости, совпадающим с направлением тока заряда конденсатора 20 от действия реактивной ЭДС первичной обмотки. Вторичные обмотки 13, 14 соединены, например, с общей для инверторов выпрямительной нагрузкой 15.

Преобразователь постоянного напряжения в квазиустановившемся режиме работает следующим образом. Транзисторы 5, 6 инвертора 3 управляются в противофазе с транзисторами 7, 8 инвертора 4. Примем за исходное время момент начала запирания ранее открытых транзисторов 7, 8. Полярность напряжений на обмотках без скобок соответствует открытому состоянию транзисторов 7, 8. Конденсатор 20 до указанного момента был заряжен с полярностью, указанной без скобок действием ЭДС самоиндукции обмотки 9 через диод 21. Напряжение конденсатора 20 приложено к первичной обмотке 10 через разделительный диод 22 встречно питающему напряжению на шинах 1, 2, поэтому запирание транзисторов 7, 8 происходит при действии на них разности напряжений питания и обмотки 10, которая может быть задана выбором величины емкости конденсатора 20 много меньше напряжения на транзисторах известного аналогичного преобразователя [1] без формирования области безопасной работы транзисторов.

Реактивный ток обмотки 10 с начала запирания 7, 8 перезаряжает конденсатор 20 через диод 22 до напряжения питания на шинах 1, 2, после чего напряжение конденсатора 20 (обмотки 10) открывает диоды 18, 19 и оставшаяся реактивная энергия обмотки 10 рекуперирует через диоды 18, 19 в источник питания. При закрытом состоянии транзисторов 7, 8 напряжение конденсатора 20 через разделительный диод 21 приложено к обмотке 9 инвертора 3 встречно напряжению питания и реактивная энергия обмотки 10 и конденсатора 20 передаются также и в выпрямительную нагрузку 15. Поэтому очередное включение транзисторов 5, 6, как было описано выше для транзисторов 7, 8, также происходит при пониженном напряжении коллектор-эмиттер, равном разности напряжений питания и обмотки 9 (конденсатора 20).

Включенному состоянию транзисторов 5, 6 соответствует полярность напряжений на обмотках 9, 13 и конденсаторе 20, указанная в скобках, энергия при этом передается в нагрузку 15. При запирании транзисторов 5, 6 реактивный ток обмотки 9 начинает перезаряд конденсатора 20, емкость которого выбрана такой, что за время запирания транзисторов 5, 6 напряжение на конденсаторе 20 меняется незначительно относительно величены напряжения питания, поэтому запирание транзисторов 5, 6 происходит при пониженном напряжении, равном разности напряжений питания и на конденсаторе 20.

После запирания 5, 6 конденсатор 20 перезаряжается (полярность - без скобок) реактивным током обмотки 9. Реактивная энергия обмотки 9 при этом передается в нагрузку 15, а также в источник питания через обратные диоды 16, 17. Поскольку напряжение конденсатора 20 (без скобок) приложено через диод 22 к обмотке 10, то очередное включение транзисторов 7, 8 происходит при пониженном напряжении коллектор - эмиттер, равном разности напряжений питания на обмотке 10 (конденсаторе 20). Далее электрические процессы в преобразователе повторяются.

Таким образом, предложенные новые признаки преобразователя обеспечивают пониженное напряжение коллектор - эмиттер на транзисторах обоих инверторов преобразователя при включении и при их запирании. При этом напряжение на закрытых транзисторах и обратных диодах преобразователя ограничено напряжением питания, т.е. в 2-2,3 раза ниже, чем в ближайшем известном преобразователе. Это расширяет ассортимент пригодных к применению транзисторов либо расширяет область применения преобразователя в сторону повышения напряжений питания. Указанные свойства преобразователя обеспечиваются при более простых трансформаторах, имеющих на одну многовитковую обмотку меньше, чем в ближайшем известном преобразователе [2] и без двух высокочастотных высоковольтных конденсаторов, которые в известном преобразователе шунтируют первичные обмотки трансформаторов, ограничивая выбрасы напряжения на обмотках. Все это обеспечивает снижение массы, габаритов и стоимости преобразователя, улучшает технологичность его конструкции.

Источники информации 1. Ханин Ц.И., Шалашова Л.М. и др. Эксплуатация электроустановок предприятий связи. Учебное пособие. - М.: Радио и связь, 1994 г. - 288 с. (с. 110 - 114, рис. 4. 43, с. 110).

2. А.с. СССР 1379907.

Формула изобретения

Преобразователь постоянного напряжения, содержащий два однотактных инвертора, каждый из которых содержит первичную обмотку силового трансформатора, транзисторный коммутатор, включенный между шинами общего для инверторов источника питания, а также два обратных диода, каждый из которых соединен первым выводом с соответствующей шиной источника питания с направлением проводимости обратном направлению тока от источника питания, содержащий также формирующий конденсатор, соединенный первым выводом с разноименными первыми выводами двух разделительных диодов, отличающийся тем, что каждый транзисторный коммутатор выполнен на двух транзисторах, между которыми включена первичная обмотка силового трансформатора, каждый обратный диод вторым выводом соединен с одним выводом первичной обмотки силового трансформатора с направлением проводимости, совпадающим с направлением реактивного тока соединенной с диодом первичной обмотки при запирании транзисторов транзисторного коммутатора, второй вывод формирующего конденсатора соединен с точкой непосредственного соединения первых разноименных выводов первичных обмоток силовых трансформаторов, второй вывод каждой из которых соединен со вторым выводом соответствующего разделительного диода, включенного с направлением проводимости, совпадающим с направлением реактивного тока соединенной с ним первичной обмотки через формирующий конденсатор при запирании транзисторов транзисторного коммутатора соответствующего инвертора.

РИСУНКИ

Рисунок 1