Стабилизированный преобразователь напряжения

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания. Техническим результатом изобретения является упрощение и удешевление преобразователя напряжения. Это достигается исключением блока модуляции фазы переключения транзисторных ключей и введением задающего трансформатора, первичная обмотка которого (15) через развязывающий конденсатор (16) подключена к первичному источнику питания (5) и к средней точке транзисторных ключей (1, 2), вторичные обмотки (17, 18) через формирователи (19, 20) подключены к цепям управляющий вход и вывод транзисторных ключей (1, 2). Такое включение позволяет совместить использование транзисторов (1, 2) в качестве задающего генератора и силовых ключей, что позволяет поддерживать режим «мягкой коммутации» в широком диапазоне изменения тока нагрузки. 3 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания.

Известны простые и дешевые автоколебательные преобразователи напряжения, содержащие транзисторный ключ, последовательно соединенный с первичной обмоткой силового трансформатора, вторичная обмотка которого нагружена на выпрямитель и сглаживающий фильтр, а обмотка управления связана с входом транзисторного ключа [1].

Известные автоколебательные стабилизированные преобразователи напряжения выполняются по однотактной схеме с одним транзисторным ключом. В выходной цепи используется выпрямитель с емкостным сглаживающим фильтром. Процессы в таких преобразователях существенно зависят от величины нагрузки. В частности, при уменьшении нагрузки до нуля частота переключений многократно возрастает. На практике в таких устройствах либо используется довольно мощная подгрузка, что снижает КПД, либо возникает режим работы с прерывистыми пачками импульсов. Последнее увеличивает пульсации выходного напряжения.

Невозможность поддерживать постоянную частоту при изменении тока нагрузки и входного напряжения в широких пределах не позволяет минимизировать сглаживающий фильтр и обеспечить при необходимости режим синхронизации. Ухудшается также электромагнитная совместимость преобразователя с другими устройствами. Такие устройства применяются при малых мощностях нагрузки.

При мощности нагрузки порядка 50 Вт применяются стабилизированные преобразователи напряжения с блоком управления, обеспечивающие постоянную частоту переключений. При токах нагрузки в единицы ампер и выше используются LC-фильтры.

Известны стабилизированные преобразователи напряжения с блоком управления, содержащие два транзисторных ключа, обеспечивающие режим мягкого переключения, что обеспечивает максимальный КПД и минимум электромагнитных помех.

Наиболее близким к предлагаемому является стабилизированный преобразователь напряжения, содержащий первый и второй транзисторные ключи, шунтированные антипараллельными диодами, подключенные к разнополярным выводам первичного источника питания, трансформатор, первичная обмотка которого одним выводом через фильтрующий конденсатор подключена к выводу первичного источника питания, а вторым - к общей точке последовательно соединенных транзисторных ключей, выходная обмотка силового трансформатора через выпрямитель подключена к сглаживающему фильтру, выход которого соединен с выводами для подключения нагрузки, блок управления, содержащий усилитель сигнала рассогласования выходного напряжения, выход которого связан со входом блока модулятора фазы переключения транзисторных ключей (блока управления), а его выводы, являющиеся выводами блока управления, через первый и второй элементы задержки (формирователи) соединены со входами первого и второго транзисторных ключей [2].

Однако при стабильной частоте переключений невозможно поддерживать режим «мягкой коммутации» в широком диапазоне изменения тока нагрузки. Поэтому возникает необходимость введения модулятора длительности паузы [3].

Такое решение, оправданное при мощности нагрузки 150...200 Вт и выше, оказывается излишне сложным и дорогим при меньших мощностях нагрузки.

Техническим результатом, получаемым при осуществлении изобретения, является упрощение и удешевление, а следовательно, и повышение надежности преобразователя. Это достигается исключением из схемы блока модулятора фазы переключения транзисторных ключей и введением маломощного задающего трансформатора, первичная обмотка которого через развязывающий конденсатор подключена одним выводом к первичному источнику питания, а другим - к средней точке последовательно соединенных транзисторных ключей, управляющий вход и первый вывод каждого из которых зашунтирован резистором, первая и вторая вторичные обмотки подключены соответственно ко вторым выводам первого и второго транзисторных ключей и к входам питания первого и второго формирователей.

На фиг.1 приведена схема предлагаемого преобразователя напряжения; на фиг.2, 3 - эпюры, поясняющие работу преобразователя.

На фиг. и в тексте приняты следующие обозначения:

1 - первый транзисторный ключ, 2 - второй транзисторный ключ, 3 и 4 - антипараллельные диоды, 5 - первичный источник питания, 6 - силовой трансформатор, 7 - выходная обмотка силового трансформатора, 8 - выпрямитель, 9 - сглаживающий фильтр, 10 - нагрузка, 11 - первичная обмотка силового трансформатора, 12 - фильтрующий конденсатор, 13 - усилитель сигнала рассогласования, 14 - источник опорного напряжения, 15 - первичная обмотка задающего трансформатора, 16 - развязывающий конденсатор, 17 - первая вторичная обмотка задающего трансформатора, 18 - вторая вторичная обмотка задающего трансформатора, 19 - первый формирователь, 20 - второй формирователь, 21 - элемент гальванической развязки, 22 и 23 - пусковые резисторы.

Устройство содержит первый 1 и второй 2 транзисторные ключи, шунтированные антипараллельными диодами 3 и 4 и подключенные к разнополярным выводам первичного источника питания 5, силовой трансформатор 6, выходная обмотка которого 7 через выпрямитель 8 подключена к сглаживающему фильтру 9, выход которого соединен с выводами для подключения нагрузки 10, первичная обмотка 11 силового трансформатора 6 первым выводом через фильтрующий конденсатор 12 подключена к выводу первичного источника питания 5, а вторым выводом подключена к средней точке последовательно соединенных транзисторных ключей 1 и 2, усилитель сигнала рассогласования 13, первый вход которого соединен с выходом фильтра 9, второй вход соединен с источником опорного напряжения 14, первичная обмотка задающего трансформатора 15 одним выводом через развязывающий конденсатор 16 подключена к выводу первичного источника питания 5, а вторым выводом подключена к средней точке транзисторных ключей 1 и 2, первая 17 и вторая 18 вторичные обмотки задающего трансформатора подключены соответственно к истокам транзисторных ключей 1, 2 и к входам питания первого 19 и второго 20 формирователей, выходы которых подключены к затворам первого 1 и второго 2 транзисторных ключей, выход усилителя сигнала рассогласования 13 через элемент гальванической развязки 21 соединен с модулирующим входом второго формирователя 20, переходы цепи транзисторных ключей 1 и 2 шунтированы высокоомными пусковыми резисторами соответственно 22 и 23.

Устройство работает следующим образом.

Напряжение первичного источника питания 5 поступает на транзисторные ключи 1 и 2. Благодаря наличию высокоомных пусковых резисторов 22 и 23 транзисторные ключи 1 и 2 приоткрываются, и ток начинает протекать через развязывающий конденсатор 16 и первичную обмотку задающего трансформатора 15. Обмотки 15 и 18 задающего трансформатора включены согласно, поэтому на формирователь 20 поступает напряжение, приводящее к полному отпиранию транзисторного ключа 2. При этом на вторичной обмотке задающего трансформатора 17 возникает напряжение, поддерживающее формирователь 19 и транзисторный ключ 1 в запертом состоянии.

Формирователь 20 содержит в себе время задающую RC-цепь, определяющую время поддержания открытого состояния транзисторного ключа 2.

После запирания транзисторного ключа 2 напряжение на вторичной обмотке задающего трансформатора 17 изменяет знак, что приводит к отпиранию транзисторного ключа 1 через формирователь 19. Формирователь 19 также имеет время задающую RC-цепь, определяющую длительность импульса транзисторного ключа 1.

В преобразователе устанавливаются устойчивые автоколебания, причем длительность полупериодов определяется хронирующими RC-цепями формирователей 19, 20.

Таким образом, транзисторные ключи 1, 2 с формирователями 19, 20 и задающий трансформатор с обмотками 15, 17, 18 образуют генератор прямоугольных импульсов с достаточно стабильной частотой переключений. К этому генератору подключается силовая часть преобразователя, состоящая из силового трансформатора 6, фильтрующего конденсатора 12, выпрямителя 8 и сглаживающего фильтра 9.

На выходы усилителя сигнала рассогласования 13 поступает напряжение с выхода сглаживающего фильтра 9 и от источника опорного напряжения 14. Напряжение рассогласования с выхода усилителя 13 через элемент гальванической развязки 21 поступает на модулирующий вход формирователя 20. Это напряжение воздействует на процессы в хронирующей RC-цепи формирователя 20 и модулирует длительность открытого состояния ключа 2. При этом изменяется амплитуда напряжений на вторичных обмотках задающего трансформатора 17 и 18. Как следствие, изменяются процессы в хронирующей RC-цепи ключа 1, что модулирует длительность открытого состояния ключа 1.

В формирователе 19 используется RC-цепь дифференцирующего типа, а в формирователе 20 - интегрирующего типа. В таком случае при уменьшении длительности импульса ключа 2 длительность импульса ключа 1 возрастает. Период переключений остается практически неизменным.

Это позволяет оптимизировать параметры всех силовых элементов. В такой схеме может быть применен как однотактный, так и двухтактный выпрямитель, как емкостной, так и LC-сглаживающий фильтр.

Для минимизации коммутационных потерь в [2] используются корректирующие L и С элементы. Однако в большинстве случаев при частоте коммутации 100 кГц и выше в качестве этих элементов могут быть использованы индуктивность рассеивания первичной обмотки 11 силового трансформатора 6 и выходные емкости транзисторных ключей 1 и 2.

Очевидно, что если очередное включение транзисторного ключа 2 происходит в момент, когда напряжение на нем становится минимальным вследствие выброса напряжения при запирании транзисторного ключа 1, то и потери в нем минимальны [фиг.2].

В данном случае имеет место т.н. «естественная пауза» между импульсами ключей, обусловленная конечной скоростью возрастания напряжения на обмотках 17, 18 и наличием входных емкостей транзисторов 1 и 2.

При уменьшении тока нагрузки до нуля существенно возрастают длительности фронтов переключений [фиг.3], и автоматически возрастает длительность паузы между включениями транзисторных ключей, что обеспечивает поддержание режима «мягкого переключения». В практических схемах изменение длительности периода переключений при изменении тока нагрузки от номинального значения до нуля не превышает 5%, что при необходимости позволяет поддерживать режим внешней синхронизации.

Режим «мягкого переключения» при внешней синхронизации осуществляется подачей сигнала, запирающего транзисторный ключ 1.

Таким образом, исключение блока модуляции фазы переключения транзисторных ключей, модулятора длительности коммутационной паузы и использование транзисторов в качестве задающего генератора и силовых ключей позволяет существенно упростить и удешевить преобразователь при сохранении всех остальных технических характеристик.

В настоящее время разработан, изготовлен и эксплуатируется ряд преобразователей напряжения мощностью 50 Вт с выходными напряжениями 5; 12; 48 В в одно-, двух- и трехканальных вариантах в количестве свыше 50 шт.

Источники информации

1. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Справочник под ред. Г.С.Найвельта. М.: Радио и связь, 1985 г., стр.347.

2. Гутер Л.Р. Стабилизированный преобразователь напряжения. Патент РФ № 2080734 Н02М 3/337.

3 Гутер Л.Р. Стабилизированный преобразователь напряжения. Патент РФ № 2264685 Н02М 3/335. Бюллетень «Изобретения. Полезные модели» № 32, 2005 г.

Стабилизированный преобразователь напряжения, содержащий первый и второй транзисторные ключи, шунтированные антипараллельными диодами и подключенные к разнополярным выводам первичного источника питания, силовой трансформатор, выходная обмотка которого через выпрямитель подключена к сглаживающему фильтру, выход которого соединен с выводами для подключения нагрузки, фильтрующий конденсатор, первый вывод которого соединен с выводом первичного источника питания, а второй - с первым выводом первичной обмотки силового трансформатора, второй вывод первичной обмотки силового трансформатора соединен с общей точкой транзисторных ключей, усилитель сигнала рассогласования, первый вывод которого соединен с выходом сглаживающего фильтра, второй - с источником опорного напряжения, выход усилителя - со входом элемента гальванической развязки, а выход последнего соединен с модулирующим входом второго формирователя, выходы первого и второго формирователей подключены соответственно к управляющим входам транзисторных ключей, отличающийся тем, что в него введен задающий трансформатор, первичная обмотка которого через развязывающий конденсатор одним выводом подключена к первичному источнику питания, а другим - к средней точке последовательно соединенных транзисторных ключей, управляющие входы и первый вывод которых зашунтированы соответственно резисторами, первая и вторая вторичные обмотки подключены соответственно ко вторым выводам первого и второго транзисторных ключей и к входам питания первого и второго формирователя.