Однотактный преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение

 

Использование: изобретение относится к преобразовательной технике. Сущность изобретения: однотактный преобразователь постоянного напряжения в постоянной с трансформатором 5, первичная обмотка 51 которого через два синхронно управляемых электронных переключателя 41, 42 и два диода 43, 44 соединена с источником входного напряжения. Для достижения разгрузки электронных переключателей 41, 42 с возможно малыми потерями предусмотрена схема защиты, которая состоит только из действующей в главной токовой цепи с первичной стороной индуктивности, последовательной CD-схемы 33, 34 и последовательной RC-схемы 31, 32. Проходной преобразователь может предпочтительно использоваться в модулях токоснабжения для питания конструктивных электрических блоков в технике передачи информации, а также в переключаемых блоках питания. 5 з.п.ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к преобразовательной технике.

Известен однотактный преобразователь постоянного напряжения в постоянное. Известный преобразователь имеет то преимущество, что позволяет отказаться от обмотки размагничивания, поскольку трансформатор размагничивается через первичную обмотку и ограничительные диоды. В названной публикации далее поясняется, что эта схема часто не требует никакой или только относительно высокоомной схемы защиты для транзистора, и поэтому ее коэффициент полезного действия является сравнительно высоким.

RCD-схема обычного вида может снизить нагрузку переключательного транзистора. Однако она лишь перекладывает мощность потерь с одного конструктивного элемента на другой.

С другой стороны, можно попытаться решить проблемы переключения с помощью резонансных и квазирезонансных преобразователей. В этом случае, однако, схемные элементы должны быть рассчитаны на сравнительно высокие токи и напряжения, т. к. постоянно передается туда и обратно реактивная мощность. Реактивная мощность может при этом иметь порядок величины активной мощности или даже быть выше. Следствием этого является наряду с повышением затрат также пониженный коэффициент полезного действия.

Высокие частоты переключения имеют то преимущество, что могут находить применение конструктивные элементы со сравнительно малыми размерами. Коммутационные потери в схемных элементах, однако, возрастают пропорционально частоте. Это может приводить к значительной нагрузке схемных элементов и к нежелательному ухудшению коэффициента полезного действия.

Задачей изобретения является такое выполнение преобразователя, чтобы для обоих электронных переключателей как в процессе включения, так и в процессе выключения достигалась коммутационная разгрузка с возможно меньшими потерями. В частности, преобразователь должен работать без заметных потерь коэффициента полезного действия, иметь возможно малую нагрузку конструктивных элементов во всем рабочем диапазоне и позволять возможно высокие частоты переключения.

Согласно изобретению, для решения этой задачи в однотактном преобразователе постоянного напряжения в постоянное, содержащем два электронных ключа, трансформатор, два диода, блок управления и по меньшей мере одну выходную цепь, в котором первый электронный ключ включен между первым выводом для подключения источника постоянного напряжения и первым выводом первичной обмотки трансформатора, второй вывод которой через второй электронный ключ подключен ко второму выводу для подключения источника постоянного напряжения, первый и второй диоды включены между первым выводом для подключения источника постоянного напряжения и вторым выводом первичной обмотки трансформатора и между вторым выводом для подключения источника постоянного напряжения и первым выводом первичной обмотки трансформатора, соответственно, в направлении, встречном источнику постоянного напряжения, кроме того, выходная цепь которого выполнена в виде вторичной обмотки трансформатора, связанной через выпрямительный диод и дроссель с выходными выводами, и обратного диода, шунтирующего выходные выводы и дроссель, блок управления предназначен для формирования двух одинаковых последовательностей импульсов, управляющих одновременным включением и выключением ключей, предусмотрены индуктивность, первая последовательная цепь из конденсатора и диода и вторая последовательная цепь из диода и дросселя, при этом первая последовательная цепь включена параллельно последовательно включенным индуктивности и первой обмотки трансформатора, а вторая последовательная цепь включена между общей точкой диода и конденсатора первой последовательной цепи и общей точкой вывода для подключения источника постоянного напряжения и электронного ключа, другим выводом связанного с конденсатором второй последовательной цепи, причем диоды первой и второй последовательной цепи включены относительно источника постоянного напряжения в направлении запирания.

В соответствии с п. 2 формулы возможно выполнение трансформатора с n вторичными обмотками.

Существуют проходные преобразователи, в которых стремятся иметь возможно малую индуктивность рассеяния трансформатора. Это имеет место, в частности, в преобразователях, которые имеют несколько выходных цепей с общим регулированием ЭДС.

В этом случае целесообразно в соответствии с дальнейшим развитием согласно п.3 формулы изобретения предусмотреть последовательно к первичной обмотке трансформатора дроссель.

С другой стороны, тогда можно, если низкое рассеяние не имеет особого значения, за счет реализации индуктивности в качестве индуктивности рассеяния предусмотреть особенно просто реализуемый трансформатор. В частности, можно обойтись при изготовлении трансформатора сравнительно небольшим числом слоев обмотки или вообще отказаться от дорогостоящего перемежения первичной и вторичной обмотки.

В соответствии с п.4 формулы изобретения с помощью регулирующего устройства предпочтительно устанавливают частоту повторения запускающих импульсов в заданной зависимости от по меньшей мере одной регулируемой величины.

При дальнейшем развитии изобретения согласно п.5 формулы изобретения достигается то, что рабочая частота в широком диапазоне нагрузки изменяется лишь незначительно и даже при экстремальных режимах работы непрерывно регулируется без мешающих разрывов и скачков. Отсюда в результате следует особое преимущество, что во всем рабочем диапазоне обеспечивается практически одинаково хорошая защита электронных переключателей. Другое преимущество заключается в том, что может быть повышена максимальная рабочая частота по сравнению с широтно-импульсно модулированными преобразователями одинаковой схемной технологии.

Для изменения длительности включения предпочтительно привлекают доминирующие в соответствующем случае применения величины помех. При дальнейшем развитии изобретения согласно п.6 формулы изобретения этой величиной является входное напряжение проходного преобразователя.

На фиг.1 изображен однотактный преобразователь постоянного напряжения в постоянное; на фиг.2 разновидность преобразователя согласно фиг.1; на фиг.3 импульсная диаграмма, поясняющая работу преобразователя согласно фиг.1; на фиг.4, 6 и 8 разновидности узлов преобразователя согласно фиг.1, обеспечивающих формирование запускающих импульсов для обоих электронных переключателей, на фиг.5 и 7 импульсные диаграммы, поясняющие работу узлов, изображенных на фиг.4 или 6.

Фиг.1 показывает однотактный проходной преобразователь с двумя служащими соответственно в качестве электронных переключателей 41 и 42 полевыми транзисторами. Поставляемое источником постоянного напряжения 1 входное напряжение U_E лежит на конденсаторе 2, выходное напряжение U_A1 на конденсаторе 91. Параллельно конденсатору 2 в главной токовой цепи с первичной стороны расположена последовательная схема, образованная из участка сток-исток образующего электронный переключатель 42 полевого транзистора, первичной обмотки 51 трансформатора 5, дросселя 35, участка сток-исток образующего электронный переключатель 41 полевого транзистора и измерительного сопротивления 100.

Первичная обмотка 51 трансформатора 5 через оба электронных переключателя 41, 42 приложена с определенным направлением полярности к источнику постоянного напряжения 1. Это направление полярности получается из того, что обозначенное точкой начало первичной обмотки 51 соединяют с положительной клеммой источника напряжения 1. Кроме того, первичная обмотка 51 через две диодные ветви тока, диоды которых 43, 44 включены в направлении запирания относительно входного напряжения U_E, подключены с другим направлением полярности к источнику постоянного напряжения 1. При этом начало первичной обмотки 51 связано через диод 43 с отрицательным полюсом источника напряжения 1.

Между вторичной обмоткой 52 трансформатора 5 и конденсатором 91 лежит выпрямительный диод 61. В следующей за выпрямительным диодом 61 поперечной ветви расположен автономно работающий (несинхронизированный) диод 71. В продольной ветви между автономно работающим (несинхронизированным) диодом 71 и конденсатором 91 лежит дроссель 81. На конденсаторе 91 имеется в распоряжении выходное напряжение U_A1. В не представленном на чертеже питаемом выходным напряжением U_A1 потребителе течет ток питания I_A.

К другой вторичной обмотке 53 трансформатора 5 подключена следующая выходная цепь преобразователя. Эта следующая выходная цепь поставляет выходное напряжение U_A2 и содержит выпрямительный диод 62, автономно работающий диод 72, дроссель 82, а также конденсатор 92. Она выполнена таким же образом, что и выходная цепь, подключенная к вторичной обмотке 52.

Управляющие электроды образующих электронные переключатели 41 и 42 полевых транзисторов подключены к выходам запускающего устройства 11, которое управляется управляемым напряжением задающим генератором 19. Оба полевых транзистора имеют одинаковый тип проводимости и соответственно одновременно включаются и выключаются синфазными запускающими импульсами.

Схема защиты 3 служит для защиты электронных переключателей 41, 42 и обеспечивает эффективную разгрузку включения и выключения. Схема защиты содержит действующую на первичной стороне трансформатора 5 последовательную индуктивность и две последовательные схемы 33, 34 и 31, 32. Одна последовательная схема состоит из конденсатора 33 и диода 34 и расположена параллельно первичной обмотке 51 трансформатора 5. Другая последовательная схема состоит из диода 32 и дросселя 31 и лежит между точкой соединения диода 34 и конденсатора 33 и соединенного с положительным полюсом источника входного напряжения 1 электрода стока полевого транзистора, образующего электронный переключатель 42. При этом речь идет об электронном переключателе, который связан с конденсатором 33 одной последовательной схемы. Диоды 32, 34 обеих последовательных схем относительно входного постоянного напряжения U_E включены с полярностью в направлении запирания.

К измерительному сопротивлению 100 подключен регулятор тока 10, на выходе преобразователя регулятор напряжения 15. Оба регулятора 10 и 15 соответственно через диод 16 или соответственно 17 подключены к входу управляемого напряжением задающего генератора 13, так что в результате получается так называемое сменное регулирование. При этом через управляющий вход задающего генератора 19 из обоих выходных напряжений регуляторов 10 и 15 проходит большее. Задающий генератор 19 генерирует последовательность импульсов U_p, частота повторения которой определяется регуляторами 10 и 15. Эти импульсы побуждают запускающее устройство 11 выдавать запускающие импульсы заданной длительности на электронные переключатели.

Фиг. 2 показывает часть однотактного проходного преобразователя согласно фиг.1 с видоизмененной схемой защиты 3. Отличие по сравнению с фиг.1 состоит в том, что в одной последовательной схеме 33, 34 конденсатор 33 и диод 34 поменены местами и поэтому другая последовательная схема 31, 32 вместо соединения с электродом истока электронного переключателя 42 соединена с электродом истока электронного переключателя 41. Принцип работы, за исключением схемы ролей обоих электронных переключателей 41 и 42, является тем же самым.

В случае преобразователей согласно фиг.1 и 2 оба электронных переключателя 41 и 42 включаются и выключаются одновременно, то есть управляются синхронно. В течение длительности запускающих импульсов они управляются в проводящем состоянии.

В дальнейшем цикл переключения описывается с помощью импульсной диаграммы согласно фиг.3.

В отрезок времени t₁ t₂ потери на включение практически исключаются за счет действующей в цепи главного тока защитной индуктивности L₃₅, так как ток в обоих электронных переключателях 41 и 42 может нарастать только с определенной крутизной d_i/d_t U_E/L₃₅, где L₃₅ индуктивное сопротивление дросселя 35.

В показанном примере выполнения защитная индуктивность может быть реализована в виде дросселя 35, то есть в виде дискретного конструктивного элемента. При необходимости вместо дросселя 35 может использоваться достаточно большая с точки зрения желательной разгрузки включения электронных переключателей 41 и 42 индуктивность рассеяния трансформатора 5. Далее может быть целесообразным дроссель с малой индуктивностью в соединении с соответственно выбранной индуктивностью рассеяния.

Защитная индуктивность составляет примерно причем Δt время запирающей задержки t_rr (revers recovery) автономно работающего (несинхронизированного) диода 71 и ΔI амплитуда тока в обоих переключателях 41 и 42 во время процесса включения.

В отрезок времени t₁ t₃ отрицательно заряженный предыдущим циклом в направлении стрелки U₃₃, служащий в качестве защитного конденсатора конденсатор 33 перезаряжается через резонансный контур 31, 33, через диод 32 и проводящий электронный переключатель 42. Процесс перезаряда заканчивается к моменту времени t₃. Как показывает временное прохождение величин i₃₁ и U₃₃, диод 32 препятствует обратному заряду конденсатора 33.

В последующий отрезок времени t₃ t₄ не проявляется никакое изменение состояния, кроме увеличения тока намагничивания i_m в трансформаторе 5.

В следующий отрезок времени t₄ t₅ оба переключателя 41 и 42 закрываются. Как следует из прохождения тока i₃₃, емкость C₃₃ конденсатора 33 через диод 34 полностью берет на себя определяемый защитной индуктивностью L₃₃ нагрузочный ток. За счет этого электронные переключатели 41 и 42 обесточены и разгружены. Увеличение напряжения определяется уравнением du/dt i₁/C₃₃.

После достижения максимального отрицательного напряжения на конденсаторе 33, которое соответствует входному напряжению U_E избыточная энергия из защитной индуктивности L₃₅ через действующие в качестве фиксирующих диодов диоды 43 и 44 отдается источнику входного напряжения 1. Как следует из хода величин i₁ и U₄₁, потери отключения на электронных переключателях 41 и 42 практически исключаются. Процесс коммутации в выпрямителях 61 и 71 или соответственно 62 и 72 завершен. Автономно работающий диод 71 или соответственно 72 берет на себя выходной ток.

После этого начинается новый цикл.

Из описанного принципа работы преобразователя и схемы защиты 3 получается, что как процесс включения, так и процесс выключения электронных переключателей 41 и 42 протекает практически без потерь.

Накопленная в защитной индуктивности L₃₅ во время фазы включения магнитная энергия во время фазы выключения поставляется с малыми потерями в емкость C₃₃ конденсатора 33 или соответственно в источник входного напряжения для входного напряжения U_E. Накопленный во время процесса выключения в конденсаторе 33 электрический заряд практически полностью и с малыми потерями перезаряжается через колебательный контур. Ток в электронном переключателе 42 за счет колебательного процесса несколько выше, чем в электронном переключателе 41. Однако он также имеет индуктивный характер и дополнительные потери в электронном переключателе 42 являются минимальными. В фазе запирания сумма напряжений U₄₁ и U₄₂ на транзисторах 41 и 42 не может быть выше, чем входное напряжение U_E.

В отличие от резонансных преобразователей в качестве реактивной мощности туда и обратно транспортируется только небольшая часть переносимой мощности. Это способствует тому, что компоненты не подвергаются никакой ненужной нагрузке.

Конструктивные элементы схемы защиты 3 в соединении с проходным преобразователем имеют такие параметры, что в результате получается выше описанное функционирование. Целесообразный пример выбора параметров для случая, когда на фиг.1 отсутствует вторая выходная цепь, следует из следующей таблицы: L35 20 мкГн С33 1,8 нанофарад L31 56 мкГн L_Q 980 мкГ 1 U_E 40 В
U_A 8,4 В
I_A 0,5 А
L81 660 мкГн
f 300 кГц
γ 0,5
При этом коэффициент заполнения периода импульса g= t_EIN/T с поперечной индуктивностью L_Q и коэффициентом трансформации трансформатора 5. L81 означает индуктивность дросселя 81.

Проходной преобразователь согласно фиг.1 содержит устройство регулирования R1, с помощью которого варьируют частоту повторения запускающих импульсов постоянной длительности. При необходимости в отличие от этого может быть предусмотрена широтно-импульсная модуляция, в частности в соединении с вариацией частоты повторения импульсов. При наличии только широтно-импульсной модуляции может при некоторых обстоятельствах появляться такое сильное сокращение времени включения, что выбор параметров колебательного контура для перезаряда служащего в качестве защитного конденсатора конденсатора 33 представляет собой трудности, поскольку как резонансная частота, так и амплитуда тока должны выбираться во время перезаряда очень высокими.

Подобные трудности могут быть предпочтительно исключены с помощью устройства регулирования или соответственно управления, которое изменяет как длительность, так и частоту повторения включающих импульсов.

Схема регулирования согласно фиг.4 содержит импульсный генератор 18 с включенным перед ним управляемым напряжением задающим генератором 19. Импульсный генератор 18 приложен своим входом к входу преобразователя, то есть к входному напряжению U_E. Другой вход подключен к управляемому напряжением задающему генератору 19 и получает от задающего генератора 19 тактовое напряжение U_T переменной частоты.

Импульсный генератор 18 образует последовательность импульсов U_p, частота повторения которых задана управляемым напряжением задающим генератором 19 и длительность включения которых обратно пропорциональна входному напряжению.

В общем импульсный генератор 18 образует последовательность импульсов U_p с определенной длительностью включения t_E. Частота повторения устанавливается управляемым напряжением задающим генератором VCO или соответственно 19 в соответствии с рабочей точкой регулятора 10 тока I или регулятора 15 напряжения U. За счет этого отпадает необходимость сильного дальнейшего сокращения импульса. В граничном случае соответствующая минимальной длительности периода T_min максимальная частота может быть определена через минимально реализуемую длительность включения и желаемый коэффициент заполнения периода импульса, а именно согласно зависимости:

При этом f частота повторения запускающего импульса е, γ - коэффициент заполнения периода импульса и t_E длительность запускающих импульсов.

В случае запускающего импульса с длительностью t_E 0,5 мкс и коэффициентом заполнения периода импульса g 0,5 получается соответственно частота 1 МГц. Длительность запускающего импульса зависит от входного напряжения U_E. Она обратно пропорциональна входному напряжению

Изменение входного напряжения U_E является для проходного преобразователя доминирующей величиной помех.

В случае идеализированного преобразователя без помех справедлива зависимость:

Если после введения зависимости (2) произведение U_E·t_E остается постоянным, то при изменении входного напряжения нет необходимости изменять частоту, чтобы поддерживать постоянным выходное напряжение U_A.

Само по себе управление времени включения в зависимости от входного напряжения является просто реализуемым управлением и не содержит поэтому даже при высоких частотах никаких схемно-технических проблем. Это означает, что преобразователь согласно фиг.4 в основном работает без больших сдвигов частоты.

Импульсные диаграммы на фиг.5 показывают принципиальную характеристику преобразователя при различных режимах работы:
а) В фазе запуска или соответственно при незначительном выходном напряжении управляемый напряжением задающий генератор (19) устанавливает максимальную частоту. Это соответствует минимальной длительности периода T_min тактовых импульсов U_t.

б) При минимальном входном напряжении импульсный генератор 18 поставляет запускающий импульс U_p с максимальной длительностью t_Emax.

в) Повышение входного напряжения имеет следствием сокращение времени включения до нового значения t_Ex без изменения при этом частоты.

о/e) Обе диаграммы показывают уменьшение частоты при сильной разгрузке или при перегрузке и неизменном входном напряжении U_E. При остающемся постоянным времени запуска t_Ex устанавливается более длительная продолжительность периода T_y.

Фиг.6 показывает целесообразную форму выполнения для импульсного генератора 18 преобразователя согласно фиг.4. На входе преобразователя, то есть на входное напряжение U_E включена последовательная схема, состоящая из сопротивления 20 и конденсатора 22. Параллельно к конденсатору 22 расположен управляемый переключатель 21, который управляется выходным напряжением U_т управляемого напряжением задающего генератора 19. Компаратор 23 своим неинвертирующим входом через источник опорного напряжения 24 соединен с отрицательным полюсом входа преобразователя, а своим инвертирующим входом с точкой соединения сопротивления 20 и конденсатора 22. На выходе компаратора 23 расположено запускающее устройство 11.

Как следует из импульсной диаграммы согласно фиг.7, импульсный генератор 18 имеет зависящее от напряжения входное время. Управляемый напряжением задающий генератор 19 выдает на своем выходе последовательность импульсов U_т. Напряжение U_c на конденсаторе 22 имеет пилообразную форму, причем крутизна нарастающего фронта импульса соответственно пропорциональна входному напряжению U_E. На выходе компаратора 23 возникает напряжение U_к, которое состоит из последовательности прямоугольных импульсов. Фронт нарастания прямоугольных импульсов соответствует включению компаратора к моменту времени t₁, фронт спада выключению компаратора к моменту времени t₂. Длительность одного прямоугольного импульса соответствует времени включения расположенного в контуре главного тока электронного переключателя и обозначено t_E. Выходное напряжение U_к компаратора 23 имеет сокращение времени включения при повышении входного напряжения от значения U_E до значения
Схема регулирования согласно фиг.8 отличается от схемы регулирования R1 преобразователя согласно фиг.1 тем, что вместо устройства для частотной модуляции предусмотрена логическая схема 12, широтно-импульсный модулятор 13 и датчик тактовых импульсов 14.

С помощью предусмотренных в описанных формах выполнения постоянных или соответственно предварительного регулирования мало изменяющейся длительности включения могут быть без проблем подобраны параметры резонансного контура L31/C33 для всех режимов работы. Длительность включения электронного переключателя 42 может быть оптимально использована для процесса перезаряда. Дальнейшее преимущество заключается в том, что выбор параметров работы защитных элементов может производиться в значительной степени свободно от других функций преобразователя.

Описанные проходные преобразователи поэтому могут предпочтительно использоваться для питания конструктивных электрических блоков техники передачи информации. Они пригодны также для преобразования высоких мощностей из напряжения сети (переключаемые блоки питания, зарядные выпрямители).

Формула изобретения

1. Однотактный преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение, содержащий два электронных ключа, трансформатор, два диода, блок управления и по меньшей мере одну выходную цепь, при этом первый электронный ключ включен между первым выводом для подключения источника постоянного напряжения и первым выводом первичной обмотки трансформатора, второй вывод которой через второй электронный ключ подключен к второму выводу для подключения источника постоянного напряжения, первый и второй диоды включены между первым выводом для подключения источника постоянного напряжения и вторым выводом первичной обмотки трансформатора и между вторым выводом для подключения источника постоянного напряжения и первым выводом первичной обмотки трансформатора соответственно в направлении, встречном источнику постоянного напряжения, кроме того, выходная цепь выполнена в виде вторичной обмотки трансформатора, связанной через выпрямительный диод и дроссель с выходными выводами, и обратного диода, шунтирующего выходные выводы и дроссель, блок управления предназначен для формирования двух одинаковых последовательностей импульсов, управляющих одновременным включением и выключением электронных ключей, отличающийся тем, что предусмотрены индуктивность, первая последовательная цепь из конденсатора и диода и вторая последовательная цепь из диода и дросселя, при этом первая последовательная цепь включена нараллельно последовательно включенным индуктивности и первичной обмотки трансформатора, а вторая последовательная цепь включена между общей точкой диода и конденсатора первой последовательной цепи и общей точкой вывода для подключения источника постоянного напряжения и электронного ключа, другим выводом связанного с конденсатором второй последовательной цепи, причем диоды первой и второй последовательных цепей включены относительно источника постоянного напряжения в направлении запирания.

2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что трансформатор содержит n вторичных обмоток, где n целое число, и n связанных с ними выходных цепей.

3. Преобразователь по п. 1 или 2, отличающийся тем, что индуктивность по меньшей мере частично выполнена в виде дросселя.

4. Преобразователь по п. 1, или 2, или 3, отличающийся тем, что блок управления содержит устройство регулирования частоты повторяемости импульсов, управляющих включением и выключением электронных ключей.

5. Преобразователь по п. 4, отличающийся тем, что блок управления содержит узел, обеспечивающий формирование импульсов, управляющих включением электронных ключей, длительностью, изменяемой в заданной зависимости.

6. Преобразователь по п. 4 или 5, отличающийся тем, что блок управления содержит узел, обеспечивающий формирование импульсов, управляющих включением электронных ключей, длительностью, обратно пропорциональной входному напряжению.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8