Импульсный стабилизатор переменного напряжения

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для питания радиоэлектронной аппаратуры. Целью изобретения является увеличение КПД и надежности стабилизатора за счет уменьшения коммутационных перегрузок. Напряжение на выходе стабилизатора складывается из входного напряжения и низкочастотной составляющей импульсов напряжения, появляющихся между средней точкой обмотки автотрансформатора 3 и общей точкой ключевых элементов 6 и 7. Стабилизация выходного напряжения осуществляется автоматически блоком 9 управления изменением амплитуды и фазы этой низкочастотной составляющей. Коммутационные перегрузки по току в ключевых элементах 4...7 исключены благодаря использованию двухобмоточного дросселя в ключевых элементах 6 и 7 и исключению одновременно открытого состояния ключевых элементов 4 и 5. За счет этого сокращаются динамические потери на ключевых элементах 4...7, что приводит к повышению КПД и надежности стабилизатора. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИ X

РЕСПУБЛИК (19(Б 0 (Ill 1 щ)5 G 05 F 1/30

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

I Г, (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4487551/24-07 (22) . 28 . 09 . 88 (46) 07.11.90. Бюп. Р 41 (.71) Московский технологический институт Министерства бытового обслуживания населения РСФСР (72) С.И.Червяков (53) 621;316.722.1 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 488197, кл, G 05 F 1/30, 1973.

Кобзев А .В . и др . Стабилизаторы переменного напряжения с высокочастотным широтно-импульсным регулирова" нием. — М.: Энергоатомиздат, 1986, с. 22, табл. 1.1., сх. 7. (54) ИМПУЛЬСНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР ПЕРЕМЕН-

НОГО НАПРЯЖЕНИЯ (57) Изобретение относится к электротехнике и .может быть использовано для питания радиоэлектронной аппаратуры.

Цел ью и з о бр ет ения я вля ется ув ели ч ение КПД и надежности стабилизатора за счет уменьшения коммутационных перегрузок. Папряжение на выходе стабилизатора складывается из входного напряжения и низкочастотной составляющей импульсов напряжения, появляющихся между средней тачкой обмотки автотрансформатора 3 и общей точкой ключевых элементов 6 и 7. Стабилизация выходного напряжения осуществляется автоматически блоком 9 управления изменением амплитуды и фазы этой низкочастотной составляющей. Коммутационные перегрузки по току в ключевых элементах 4...7 исключены благодаря использованию двухобмоточного дросселя в ключевых элементах 6 и 7 и исключению одновременно открытого состояния ключевых элементов 4 и 5. За счет этого сокращаются динамические потери на ключевых элементах 4...7, что приводит;к повышению КПД и на" дежности стабилизатора. 3 ил.

1605216

Изобретение относится к электро.: ехнике, в частности к устройствам питания радиоэлектронной аппаратуры, и может быть использовано в импульс5 ных стабилизаторах переменного напряжения.

Цель изобретения — увеличение КПД и надежности стабилизатора за счет уменьшения коммутащ oHHblx перегрузок. 10

На фиг. 1 представлена схема импульсного стабилизатора переменного напряжения; на фиг. 2 — блок управления с подключенными к нему ключевыми элементами; на фиг. 3 — диаграммы на- 15 пряжений в характерных точках схемы стабилизатора.

Стабилизатор (фиг. 1) содержит дроссель 1 регулируемый преобразователь 2, состоящий из автотрансформатора 3 и двух двухполярных ключевых элементов 4 и 5 (например, транзисторов, включенных в диагональ выпрямительного моста), двухполярных ключевых элементов 6 и 7, конденсатора 8 и блока 9 управления. К выходным выводам стабилизатора подключена нагрузка 10.

Выводы полуобмоток автотрансформатора 3 через ключевые элементы 4 и 5 подключены к общей шине, а средняя точка обмотки автотрансформатора 3 к выходному выводу. При этом на полуобмотках автотрансформатора 3 выполнено по отводу, которые соединены с первыми силовыми выводами 6 и 7 ключевых элементов, вторые силовые выводы которых через дроссель 1 подключены к входному выводу. К выходным выводам стабилизатора подключен конден40 сатор 8 и вход блока 9 управления, первый, второй, третий и четвертый выходы которого выполнены гальванически развязанными и соединены с управляющими входами соответственно 45 ключевых элементов 4-7.

При этом ключевые элементы 6 и 7 (фиг . 2) выполнены в виде выпрямительных диодных мостов 11, в диагональ постоянного тока каждого из которых включены последовательно соеди- ненные однополярный ключевой элемент

12, например транзистор, управляющий вход которого соединен с управляющим входом соответствующего ключевого элемента, и одна из обмоток двухобмо- 55 точного дросселя 13, шунтированная последовательно соединенным диодом 14 и вез с nonM 15, а диагональ переменного тока каждого выпрямительного диодного моста 11 подклю;она к силовым выводам соответствующего ключевого элемента.

Блок 9 управления содержит датчик

16 амплитуды выходного напряжения, вход которого подключен к входу блока

9 управления, а выход через узел 17 сравнения — к входам управления уп-. равляемых фазосдвигающих узлов 18 и

19, задающий генератор 20, прямой выход которого соединен с входами синхронизации фазосдвигающих узлов 18 и

19, прямой и инверсный выходы которых подключены к входам соответственно первого и второго элементов 21 и

22 совпадений, выходы которых через элемент ИЛИ 23 соединены с первыми входами первого и второго элементов

И-НЕ 24 и 25, вторые входы которых подключены соответственно к прямому и инверсному выходам задающего генератора 20 ° Выходы элементов 21 и 22 совпадений и элементов И-ПЕ 24-25 подключены соответственно к первому— четвертому выходам блока 9 управления .

Стабилизатор работает следующим образом.

Напряжение на выходе стабилизатора складывается из входного напряжения и низкочастотной составляющей импульсов напряжения, появляющихся между средней точкой обмотки автотрансформатора 3 и общей точкой ключевых элементов 6 и 7, форма низкочастотной составляющей представляет собой синусоиду с частотой сети. При этом высокочастотные составляющие импульсов отфильтровываются дросселем

1 и конденсатором 8.

Стабилизация выходного напряжения осуществляется автоматически блоком

9 управления изменением амплитуды и фазы низкочастотной составляющей этих импульсов напряжения. Амплитуда и фаза низкочастотной составляющей изменяется за счет регулирования длительности и полярности импульсов напряжения, появляющихся между средней т оч кой обмотки а втотр а нсфор мат ор а 3 и общей точкой ключевых элементов 6 и 7.

Выполнение двухполярных ключевых элементов 6 и 7 в виде выпрямительных мостов 11, в диагонали постоянного тока каждого из которых включены последовательно соединенные однополяр5 16052 ный ключевой элемент 12 и одна из обмоток двухобмоточного дросселя 13, шунтированная последовательно соединенными диодом 14 и резистором 15, позволяет исключить коммутационные

5 перегрузки по току при переключении ключевых элементов, когда во время переходного процесса одновременно открьггы оба ключевых элемента 6 и 7 и один из ключевых элементов 4, 5 регулируемого преобразователя 2, за счет этого увеличивается надежность стабилизатора и сокращаются динамические потери на ключевых элементах. При этом построение схемы и принцип управления ключевыми элементами исключают одновременное открытое состояние ключевых элементов 4 и 5 регулируемог о пр еобр аз оват еля 2. 20

Действительно, во время переходного процесса при переключении ключевых элементов, когда одновременно могут быть открыты ключевые элементы 6 и 7 и один из ключевых элементов 4, 5, 25 часть обмотки трансформатора 3 нагружается открьгтыми ключевыми элементами 6 и 7. Ток через один из открытых ключевых элементов 4, 5 линейно зависит от токов через ключевые элементы 6 и 7, не превышающих токи через соответствующие обмотки дросселя 13, входящие в их состав. Токи через обмотки дросселя 13 не могут резко из.мениться, тем самым исключаются коммутационные перегрузки по току во время переходного процесса.

Поскольку длительность переходно- ° го процесса мала, ток через дроссель

1 за это время практически не изменяется, поэтому при описанном принципе управления ключевыми элементами сум ма токов через ключевые элементы 6 и 7 оцинакова до и после переключения одного из них. Это позволяет исключить коммутационные перегрузки по напряжению на ключевых элементах 6 и 7 из-за включения в их состав дросселя 13, так как обмотки дросселя выполнены одинаковыми, а до начала лю- 50 бого переходного процесса сумма токов через обмотки дросселя 13 была не меньше, чем абсолютное значение тока дросселя 1. После окончания переходного процесса ток через дроссель 1

55 остался прежним, а сумма токов через обмотки дросселя 13 могла только увеличиться, так как во время переходного процесса на них падает относительно высокое положительное напряжение, увеличивающее энергию дросселя

13. Но положительная разность между суммой токов через обмотки дросселя

13 и абсолютным значением тока через дроссель 1 не вызывает перегрузок по напряжению, так как разностньп ток, равный разности абсолютных значений тока через обмотку дросселя 13 и открьггый ключевой элемент, в состав которого она входит, замыкается на цепи: обмотка дросселя 13 и диодно-резистивная цепочка, ее шунтирующая, параметры которой выбираются такими, чтобы избьггочная энергия, накопленная дросселем 13 во время переходного процесса, полностью рассеивалась за период колебаний задающего генератора 20 блока 9 управления.

Блок 9 управления работает следующим образом. Узел 17 сравнения сравнивает напряжение, поступающее с выхода датчика 16 амплитуды выходного напряжения, с опорным напряжением, из зависимости от разности этих напряжений сдвигает импульсы управляемых фазосдвигающих узлов 18 и 19 относительно импульсов задающего генератора 20 (фиг . 3a) . При этом импульсы на выходе фазосдвигающего узла 18 (фиг. Зб) отстают по фазе от импульсов задающего генератора 20, а импульсы на выходе фазосдвигающего узла 19 (фиг. Зв) опережают их.

В результате меняется длительность импульсов на выходах элементов 21 и

22 совпадений (фиг. Çr, д), а следовательно, меняется время открытого состояния ключевых элементов 4 и 5 регулируемого преобразователя 2 и, таким образом, скважность импульсов напряжения между средней точкой обмотки автотрансформатора 3 и общей точкой ключевых элементов 6 и 7.

При отсутствии импульсов на выходах элементов 21 и 22 совпадений (фиг. 3 г, д) на выходе элемента

ИЛИ. 23 наблюдается нулевой логический уровень и, следовательно, на выходах элементов И-НЕ 24 и 25 - единичный логический уровень (фиг.З е,ж) и поэтому одновременно открыты оба ключевых элемента 6 и 7.

Причем при напряжении сети вьппе . номинального (фиг. 3, и t,) импульсы на выходе фазосдвигающего узла 18 (фиг. Зб) отстают по фазе от импульсов задающего генератора 20 (фиг. 3a) 1605216 более, чем на 1/4 периода его колебаний, а импульсы иа выходе фазосдвиI гающего узла (фиг. Зв) опережают их более, чем на 1/4 периода. Поэтому во . время импульса на выходе элемента 21 совпадений (фиг. Çr) (а следовательно, и элемента ИЛИ 23) на выходах элементов И-IIE 24 и 25 (фиг. 3 е, ж) имеются соответственно нулевой и еди- 10 ничный логические уровни (за счет сдвига фаз между импульсами на выходе элемента 21 совпадений и задающего генератора 20) . А во время импульса на выходе элемента 22 совпадений

15 (фиг. 3 gg) на выходах элементов 24 и

25 имеются соответственно единичный и нулевой логические уровни (фиг. 3 е, ж) . В результате происходит попере-, менное переключение попарно ключевых элементов 4, 7 и 5, 6.

При напряжении сети ниже номинального (фиг. 3, t ct ) импульсы на выходе фазосдвигающего узла 18 (фиг. Зб) отстают по фазе от импульсов задающе- 25

ro. генератора 20 (фиг. 3 а) менее, чем на 1/4 периода его колебаний, а импульсы на выходе фазосдвигающего узла 19 (фиг. 3 в) опережают их менее, чем на 1/4 периода. Поэтому во время импульса на выхбде элемента 21 совпадений (фиг . 3 г) на выходах элементов И-НЕ 24 и 25 имеются соответственно единичный и нулевой логические уровни (фиг . 2 е, ж) . А во время .импульса на выходе элемента 22 совпа- 35 дений (фиг. 3 д) на выходах элементов 24 и 25 имеются соответственно нулевой и единичный логические уровни (фиг. 3 е, ж) . В результате происходит попеременное переключение попар40 но ключевых элементов 4, 6 и 5, 7.

Таким образом, меняя сдвиги фаз между задающим генератором 20 и управляемыми фазосдвигакнцими узлами 18 и 19, осуществляется требуемый закон

45 переключения ключевых элементов 4-7.

Сд виги фа з р е гулир уются ав т оматич ес— ки узлом 17 сравнения, подключенным своим выходом к управляющим входам управляемых фазосдвигающих узлов 18 . и 19 ° Напряжение на выходе узла 17 сравнения линейно зависит от разности опорного напряжения и напряжения, по« ступающего на его вход с выхода датчика 16 амплитуды выходного напряжения.

Ключевые элементы 4 и 5 регулируемого преобразователя 2 переключаются с частотой задающего генератора 20 блока 9 управления, которая много больше частоты сети ° Ключевые элементы переключаются в течение соответствующего полупериода этих колебаний, Длительность их открытого состояния определяется блоком 9 управления.

Кроме того, блок 9 управления обеспечивает при напряжении сети ниже номинального попеременное попарное переключение ключевых элементов 4, 6 и

5, 7, а при напряжении сети вьппе номинального — попеременное попарное переключение ключевых элементов 4, 7 и5, 6.

В результате, когда открыт один из ключевых элементов 4 или 5, открыт и один из ключевых элементов 6 или 7, а между средней точкой автотрансформатора 3 и выводом дросселя 1 появляются высокочастотные импульсы напряжения, полярность которых совпадает с полярностью входного сигнала при напряжении сети ниже номинального и противоположна ей при входном напряжении выше номинального (фиг. 3 з, соответственно при t " t и при t )

>й ). Частота этих импульсов равна удвоенной частоте задающего генератора 20 блока 9 управления. Когда же закрыты оба ключевых элемента 4 и 5, ключевые элементы 6 и 7 открыты, напряжение на обмотках автотрансформатора 3 равно нулю и входной ток стабилизатора (ток через дроссепь 1) протекает через обе части полуобмоток автотрансформатора 3 и ключевые элементы 6 и 7. В этом случае обеспечивается равенство выходного напряжения входному напряжению.

Такое построение схемы позволяет уменьшить коммутационные перегрузки в стабилизаторе, повышает его ЩЦ и надежность.. Использование дросселя 1 и конденсатора 8 позволяет улучшить форму выходного напряжения и уменьшить пульсации входного тока.

Кроме того, использование меньшего количества ключевых элементов позволяет уменьшить потери мощности в блоке 9 управления.

Особенно наглядны преимущества предлагае,roro oтабилизатора при напряжении сети, равном номинальному.

При этом ток нагрузки, делясь пополам, протекает через обе части полу160521б обмоток автотрансформатора 3 и оба ключевых элемента 6 и 7, Поэтому потери мощности на авто— трансформаторе преобразователя и клю5 чевых элементах меньше, чем в схеме известного стабилизатора, где ток нагрузки протекает через один ключевой элемент и одну часть обмотки (но он вдвое больший, поэтому там большие и омические потери в автотрансформаторе и пот еря на ключ ев ом эл еиент е) и где, кроме того, протекает ток через всю обмотку автотрансфориатора преобразователя и ключевой элемент, через который соединены ее выводы, создавая таким образом потери мощности, которых нет в предлагаемой схеме.

Формула изобретения

Импульсный стабилизатор пер еменного напряжения, содержащий регулируемый преобразователь, состоящий из автотрансформатора, обмотка которого выполнена со средней точкой, первого и второго ключевых элементов, которые включены междQ общей шиной и выводами пол уобмоток а вт отра нсфор иатора, на каждой из которых выполнено по отводу, к которым подклю HbI первые силовые выводы третьего и четвертого ключевых элементов, соединенных вторыми силовыми выводаии между собой, и блок управления, состоящий из задающего генератора, прямой выход которого подключен к входам синхронизации двух управля еиых фазосдвигающих узлов, входы управления которых соединены между собой, причем пер вый, втор ой, тр етий и четвертый выходы блока управления подключены к управляющим входам соответственно первого, второго, третьего и четвертого клюевых элементов, о т л и ч а ю DI и и с я тем, что, с целью увеличения И1Д и надежности за счет уменьшения коммутационных перегрузок, в него введены дрос1 сель и конденсатор, а блок управления снабжен датчиком аиплитуды выходного напряжения, узлом сравнения, двумя элементами совпадений, элементом ИЗ% и двумя элементами II-НЕ., причем объеди не нные вторые сил овые выводы тр етьего и четвертого ключевых элементов через дро-.сель соединены с входным выводом, <: едняя точка автотрансфор— иатора под .лючена к выходному выводу, с которым соединен вход блока управ— лепия, а конденсатор включен между выходным выводом и общей шиной, при этом датчик амплитуды выходного напряже ия входои подключен к вхоцу блока управления, а выходом через узел сравнения — к входам управленйя управляемых фазосдвигающих узлов, прямые и инверсные выходы которых с оединены с входами с оответс твенно и ер в oI о и втор or о эл еме нт ов с овп ад ений, выходаии подключенных соответственно к первому и второму выходам блока управления и к первому и второму входам элемента ILIIII,. вход которoro с оеди нен с и ер ными вх одами пер вог о и

;второго элементов И-НЕ, вторые входы

1которых подключены соответственно к прямому и инверсному выходам задающего -енератора а выходы — соответственно к третьему и четвертому выходам блока управления, кроме тorо, третий и четвертый ключевые элементы выполнены в виде выпрямитсльных диодных мостов, в диагональ постоянного тока каждого из которых включены последовательно соединенные оцнополярный ключевой элемент, управляющий вход которого соединен с. управляющим входом соответствуюцего ключевого элемента, и одна из обмоток пвухобмоточного дросселя, шунтированная последовательно соединенными диодом и резистором, а диагональ переменного тока каждого выпрямительного циоцного моста. подключена к силовым выводам соответствующего ключевогo элемента.

1605216

Составитель А.Волкова

Редактор Л.Данко Техред Л.Сердюкова

Корректор g Ëîí÷àêîâà

Заказ 3453 Тираж 651 Лодпис ное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина, 101 о