Однотактный преобразователь постоянного напряжения

 

Использование: при разработке экономичных малогабаритных источников электропитания (сварочных аппаратов, устройств заряда аккумуляторных батарей и пр. ). Сущность: параллельно первичной обмотке трансформатора подключают цепь перемагничивания, состояющую из последовательно соединенных дросселя, источника постоянного напряжения и токозадающего резистора, а система управления преобразователем снабжена блоком контроля перемагничивания, разрешающим включение транзисторов только по окончании процесса перемагничивания магнитопровода силового трансформатора. Технический результат - существенное уменьшение размеров силового трансформатора или при фиксированных его размерах уменьшение коммутационных потерь за счет снижения частоты переключений, или при неизменных размерах трансформатора и частоте переключений повышение надежности за счет облегчения вдвое условий работы силовых транзисторов. 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к преобразовательной технике и может быть использовано при создании экономичных малогабаритных источников электропитания (сварочных аппаратов, устройств заряда аккумуляторных батарей и пр.) Известны различные способы увеличения размаха индукции ΔB до близкого к максимальному 2B_м в однотактной схеме конвертора [1]. В схеме с одним активным элементом для этого применяют дополнительную обмотку и включенный последовательно с ней вспомогательный маломощный транзистор. Энергия первичного источника поступает в дополнительную обмотку при выключении схемы, обеспечивая тем самым продолжение процесса перемагничивания магнитопровода. Недостатком этой схемы является прежде всего необходимость отдельного формирователя сигнала управления дополнительным транзистором. Кроме того, однотактные схемы на одном транзисторе недостаточно надежны из-за возникающих перенапряжений.

Известна также схема сдвоенного конвертора, состоящего из двух однотипных конверторов с размагничивающими обмотками, включенными по входным и выходным цепям параллельно и работающими на общий LC-фильтр [2]. Здесь размах индукции близок к 2B_м, однако конструкция трансформатора усложнена.

Применение однотактной полумостовой схемы позволяет уменьшить напряжение на транзисторе и упростить конструкцию трансформатора, исключив размагничивающую обмотку.

Известна полумостовая схема однотактного конвертора, содержащая два основных ключевых элемента (транзистора) и два рекуперационных диода, силовой трансформатор, к вторичной обмотке которого подсоединены диоды с "прямым" включением, и выходной фильтр [3]. Когда транзисторы полумоста закрыты, накопленная в магнитопроводе энергия поступает от обмотки к входному источнику через рекуперационные диоды. С целью устранения остаточной индукции трансформатор выполняют с воздушным зазором, однако и в этом случае диапазон изменения индукции вдвое меньше максимально возможного. Для его увеличения параллельно диодам подключают резисторы, через которые продолжает течь ток размагничивания. Однако такой способ целесообразен только в маломощных схемах, при увеличении мощности растет и мощность резисторов, и потери становятся большими. Таким образом, главные недостатки схемы - завышенная установленная мощность трансформатора из-за недоиспользования по индукции и большая энергия коммутации - окупаются простотой схемы только при весьма малых мощностях. При большой же мощности (например, 5 кВт) схема однотактного прямоходового конвертора не оптимальна.

Цель изобретения - существенное уменьшение размеров силового трансформатора или при фиксированных его размерах уменьшение коммутационных потерь за счет снижения частоты переключений, или при неизмененных размерах трансформатора и частоте переключений повышение надежности за счет облегчения вдвове условий работы силовых транзисторов.

Поставленная цель достигается тем, что параллельно первичной обмотке трансформатора подключают цепь перемагничивания, состоящую из последовательно соединенных дросселя, источника постоянного напряжения и токозадающего резистора, а система управления преобразователем снабжена блоком контроля перемагничивания, разрешающим включение транзисторов только по окончании процесса перемагничивания магнитопровода силового трансформатора, причем вход блока контроля перемагничивания подсоединен к выходу датчика входного напряжения трансформатора, а выход - к блоку управления и защиты.

На фиг. 1 дана структурная схема устройства; на фиг. 2 -вариант исполнения блока управления; на фиг. 3 - диаграммы работы устройства.

Преобразователь содержит два силовых транзистора 1, 2 с защитными RCD-цепями, рекуперационные диоды 3, 4, силовой трансформатор 5, диоды 6, 7 и дроссель 8 на вторичной стороне. Система управления включает датчик 9 входного тока (I_вх), датчик 10 входного напряжения (U_d), датчик 11 напряжения на трансформаторе 5 (U_т), датчик 12 выходного тока (I_ld) и датчик 13 напряжения на дросселе фильтра (U_ld). Выходы датчиков подключены к соответствующим входам блока управления и защиты 14. Усилитель-формирователь 15 выдает сигналы управления транзисторам преобразователя. Параллельно первичной обмотке силового трансформатора подключена цепь перемагничивания из последовательно соединенных дросселя 16, источника постоянного напряжения 17 и токозадающего резистора 18. Блок контроля перемагничивания 19 включен между датчиком 11 входного напряжения трансформатора и соответствующим входом блока 14 управления и защиты.

Работа устройства поясняется с помощью диаграмм на фиг. 3, где приняты следующие обозначения: U_БЭ - управляющий ток транзистора; I_н - ток намагничивания силового трансформатора 5; L_L - ток в дросселе контура размагничивания.

Когда открыты транзисторы 1 и 2, магнитопровод трансформатора 5 намагничивается в прямом направлении (ток I_н) возрастает). В отсутствие вспомогательного дросселя со смешением ток размагничивания течет через рекуперационные диоды, как показано на фиг. 3а, спадая до нуля. Если параллельно первичной обмотке трансформатора включен накопитель - дроссель со смещением, то во время паузы (транзисторы 1, 2 закрыты) создается дополнительный контур размагничивания магнитопровода L-T. Размах по амплитуде тока, текущего через обмотку трансформатора, увеличивается вдвое (фиг. 3б), и, таким образом, реализуется полный цикл перемагничивания (от B_м до - B_м). На фигуре видно, что транзистор можно включить по окончании процесса перемагничивания, снизив вдвое частоту, либо же вследствие лучшего использования трансформатора по индукции существенно снизить его размеры.

Источник постоянного напряжения может быть выполнен посредством отдельной обмотки на трансформаторе блока питания и нулевой схемы выпрямления или каким-то иным образом.

Блок управления и защиты может быть выполнен по гистерезисному или иному типу. В конкретном описанном преобразователе управление осуществляется по 4 раздельным каналам: переключение по выходному току с гистерезисом; запрет на управление по достижении максимальной индукции магнитопровода силового трансформатора; отключение по максимальному току транзисторов коммутатора; включение по окончании перемагничивания магнитопровода силового трансформатора.

Сигналы соответственно с датчиков 10, 11, 12, 13 - этих четырех основных каналов поступают через логику на триггер 20, управляющий состоянием коммутатора (фиг. 2), вместе с сигналами о напряжении питания системы управления и состоянии триггера. Выход триггера является выходом блока 14 и подсоединен к усилителю-формирователю 15.

Сигнал с датчика входного напряжения 9 запрещает работу преобразователя при выходе за границы рабочего диапазона.

Блок контроля перемагничивания 19 может быть выполнен на транзисторном формирователе с заданным порогом переключений. На его вход подается напряжение первичной обмотки трансформатора. По достижении перемагничивающей волны напряжения порога формирователя вырабатывается сигнал об окончании перемагничивания трансформатора, разрешающий включение транзистора. Таким образом реализуется полный цикл перемагничивания трансформатора от -B_м до B_м. В отсутствие данного блока транзистор мог бы включиться раньше, а максимально возможного в этой схеме размаха индукции не удалось бы достичь.

Данное схемное решение позволяет снизить вдвое размеры трансформатора. Дополнительная конструктивная единица - дроссель размагничивания - составляет всего 1/50 часть объема трансформатора.

При фиксированных размерах трансформатора возможно снижение вдвое частоты переключений и соответственно коммутационных потерь ΔP_к : ,
где
C - емкость защитных цепей;
U - напряжение на конденсаторе;
f - частота переключений.

При фиксированных размерах трансформатора и фиксированных коммутационных потерях возможно облегчение вдвое условий работы силовых транзисторов за счет увеличения емкости защитных цепей. Возможно и компромиссное сочетание перечисленных решений, что позволит использовать достоинства простой схемы одноактного конвертора и получить малогабаритный источник с высокой надежностью на сравнительно большую мощность.

Формула изобретения

Однотактный преобразователь постоянного напряжения в постоянное, выполненный по полумостовой схеме на двух транзисторах с защитными цепями и содержащий силовой трансформатор с первичной и вторичной обмотками, рекуперационные диоды на первичной стороне, диоды и дроссели фильтра на вторичной стороне, а также систему управления преобразователем, отличающийся тем, что в него введены последовательная цепь из дросселя, источника постоянного напряжения и токозадающего резистора, включенная параллельно первичной обмотке трансформатора, датчик входного напряжения трансформатора, а система управления преобразователем снабжена блоком контроля перемагничивания, вырабатывающим разрешающий сигнал на включение транзистора при окончании перемагничивания трансформатора от +B_м до -B_м, где B_м - максимальная индукция магнитопровода трансформатора, причем вход блока контроля перемагничивания подключен к выходу датчика входного напряжения трансформатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3