Полумостовой преобразователь постоянного напряжения

 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в системах электропитания, устройств радиотехники, автоматики и вычислительной техники. Преобразователь (П) содержит выходной трансформатор (Т) (3), выводы первичной обмотки которого соединены через соответствующие управляемые ключи (УК) (1, 2) с входными выводами П, а его вторичная обмотка через выпрямитель подключена к выходным выводам П. П также содержит два рекуперационных диода, каждый из которых включен параллельно цепи, состоящей из первичной обмотки Т (3) и УК (1, 2), в направлении отдачи энергии в источник питания и две цепочки, первая содержит последовательно включенные конденсатор (К) (6) и первый диод (Д) (11), включена параллельно первичной обмотке Т (3), причем катод первого Д (11) соединен с началом этой обмотки, а вторая цепочка содержит последовательно соединенные второй Д (10) и дроссель (Др) (8) и подключена катодом второго Д (10) к общей точке соединений К (6) и первого Д (11), а выводом Др (8) к клемме входного отрицательного вывода П. Введены две дополнительные цепочки, одна из которых состоит из последовательно соединенных К(7) и третьего Д (13) и подключена параллельно первичной обмотке Т(3) так, что анод третьего Д (13) соединен с концом этой обмотки. Другая дополнительная цепочка состоит из соединенных последовательно четвертого Д (12) и Др (9) и подключена анодом четвертого Д (12) к общей точке соединения К (7) и Д (13) первой дополнительной цепочки, а выводом Др (9) - к клемме входного положительного вывода П. Технический результат - увеличение мощности преобразователя и уменьшение уровня радиопомех. 1 ил.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в схемах электропитания устройств радиотехники, автоматики и вычислительной техники.

Известен преобразователь постоянного напряжения (а.с. CCCH 1203664, МПК Н 02/335, Преобразователь постоянного напряжения, 1986, БИ 1), содержащий два управляемых ключа, выходной трансформатор с первичной обмоткой, каждый вывод которой через соответствующий управляемый ключ соединен с входным выводом преобразователя, и с вторичной обмоткой, соединенной через выпрямитель и фильтр с выходными выводами преобразователя, и два рекуперационных диода, каждый из которых включен параллельно цепи, состоящей из первичной обмотки трансформатора и ключа, в котором параллельно каждому рекуперационному диоду включена цепочка из последовательно соединенных конденсатора и диода так, что одноименные электроды этих диодов объединены и подключены к входным выводам преобразователя, а между точками соединения конденсаторов и диодов в этих цепочках включена цепь, состоящая из последовательно соединенных диода и дросселя.

Недостатком схемы является то, что в ней полный ток перезаряда конденсатора колебательного контура протекает через два последовательно включенных ключа, что увеличивает величину их импульсного тока и, таким образом, ограничивает максимальную мощность преобразователя. Собственная частота контура, образованного двумя последовательно включенными конденсаторами и дросселем примерно на порядок выше частоты работы преобразователя, а амплитуда тока этого контура при использовании в качестве ключей биполярных транзисторов в два-три раза больше тока первичной обмотки трансформатора, обусловленного основной нагрузкой.

Кроме того, при размыкании ключей ток первичной обмотки трансформатора через соответствующие диоды и конденсаторы замыкается на источник питания. Протекание мощных высокочастотных импульсов тока по цепям питающей сети приводит к увеличению уровня радиопомех и, следовательно, снижает электромагнитную совместимость преобразователя.

Наиболее близким, принятым за прототип, является однотактный преобразователь постоянного напряжения (а.с. CCCР 1524142, МПК Н 02 М 3/335, Однотактный преобразователь постоянного напряжения, 1998, БИ 43), содержащий два транзистора и два обратных диода, коллектор первого транзистора и катод первого обратного диода соединены с первым входным выводом, а эмиттер второго транзистора и анод второго обратного диода - со вторым входным выводом, выходной трансформатор, первичная обмотка которого включена между точками соединения эмиттера первого транзистора с катодом второго обратного диода и коллектора второго транзистора с анодом первого обратного диода, а его вторичная обмотка через выпрямитель и сглаживающий фильтр подключена к выходным выводам, и две цепочки, первая из которых содержит включенные последовательно конденсатор и вспомогательный диод, а вторая - включенные последовательно дополнительный диод, дроссель и вспомогательную обмотку выходного трансформатора, блок управления, подключенный к управляющим входам транзисторов, причем первая цепочка подсоединена параллельно первичной обмотке трансформатора, а общая точка соединения конденсатора и дополнительного диода подключена к первому выводу второй цепочки, второй вывод которой соединен со вторым входным выводом.

Недостатком схемы является несимметричная работа транзисторных ключей, поскольку перезаряд конденсатора первой цепочки при включении транзисторов 1 и 2 происходит только через транзистор 2. Суммарный ток нагрузки и перезаряда, проходящий через транзистор 2, ограничивает максимальную мощность преобразователя.

Как и в схеме аналога, большой ток перезаряда конденсатора высокой частоты, может создавать радио- и другие виды помех, приводящие иногда к сбою работы системы управления преобразователя и другой аппаратуры, подключенной к тому же источнику питания.

Технический результат предлагаемого изобретения - увеличение мощности преобразователя и уменьшение уровня радиопомех, достигается тем, что в преобразователь, взятый в качестве прототипа и содержащий два транзистора (управляемые ключи) и два обратных диода, коллектор первого транзистора и катод первого обратного диода соединены с первым входным выводом, а эмиттер второго транзистора и анод второго обратного диода - со вторым входным выводом, выходной трансформатор, первичная обмотка которого включена между точками соединения эмиттера первого транзистора с катодом второго обратного диода и коллектора второго транзистора с анодом первого обратного диода, а его вторичная обмотка через выпрямитель и сглаживающий фильтр подключена к выходным выводам, и две цепочки, первая из которых содержит включенные последовательно конденсатор и первый диод и включена параллельно первичной обмотке трансформатора катодом диода к началу этой обмотки, а вторая - соединенные последовательно второй диод и дроссель, подключена катодом второго диода к общей точке соединения конденсатора и диода первой цепочки, а выводом дросселя - к одному из входных выводов преобразователя введены две дополнительные цепочки, одна из которых, состоящая из последовательно включенных конденсатора и третьего диода, подключена параллельно первичной обмотке трансформатора так, что анод третьего диода соединен с концом этой обмотки, а вторая дополнительная цепочка, состоящая из последовательно соединенных четвертого диода и дросселя, подключена анодом четвертого диода к точке соединения конденсатора и диода первой дополнительной цепочки, а выводом дросселя к другому входному выводу преобразователя.

На чертеже представлена схема предлагаемого преобразователя, где приняты следующие обозначения: 1, 2 - управляемые ключи; 3 - выходной трансформатор; 4, 5 - рекуперационные диоды; 6,7 - конденсаторы; 8, 9 - дроссели; 10, 11, 12, 13 - диоды.

Предлагаемый полумостовой преобразователь содержит два управляемых ключа (например, транзисторных) 1 и 2, выходной трансформатор 3, выводы первичной обмотки которого через соответствующие управляемые ключи соединены с входными выводами преобразователя и два рекуперационных диода 4 и 5, каждый из которых включен параллельно цепи, состоящей из первичной обмотки трансформатора и ключа, в направлении отдачи энергии в источник питания, два конденсатора 6 и 7, два дросселя 8, 9 и четыре диода 10, 11, 12, 13, причем первый вывод конденсатора 6 подключен к концу первичной обмотки трансформатора 3, а второй - к катоду диода 10 и аноду диода 11, анод диода 10 через дроссель 8 - к входному выводу "-" преобразователя, катод диода 11 и первый вывод коденсатора 7 подключены к началу первичной обмотки трансформатора 3, а второй вывод конденсатора 7 - к аноду диода 12 и катоду диода 13, катод диода 12 через дроссель 9 соединен с входным выводом "+" преобразователя, анод диода 13 соединен с концом первичной обмотки трансформатора.

Предлагаемый преобразователь работает следующим образом.

В установившемся режиме система управления (на схеме не показана) осуществляет одновременное переключение ключей 1 и 2 с определенными частотой и продолжительностью импульсов в соответствии с заданным законом управления.

К концу интервала включенного состояния ключей 1 и 2, конденсаторы 6 и 7, как будет показано ниже, заряжены почти до напряжения питания с полярностью указанной на чертеже без скобок.

После подачи системой управления сигнала на размыкание ключей 1 и 2 их токи спадают практически при нулевом напряжении. Это объясняется тем, что при размыкании ключей ток, обусловленный индуктивностями рассеяния и намагничивания первичной обмотки трансформатора, открывает диоды 11 и 13, напряжение на обмотке становится равным напряжению на конденсаторах, т.е. напряжение на ключах близко к нулю. Токи индуктивностей рассеяния и намагничивания первичной обмотки перезаряжают конденсаторы 6 и 7, причем при большом запасе энергии эти конденсаторы перезарядятся до напряжения питания (полярность показана в скобках), рекуперационные диоды 4 и 5 откроются и остаток энергии будет рекуперирован в источник преобразователя.

Система управления через определенный промежуток времени замыкает ключи 1 и 2 и спад напряжения на них происходит при практически нулевых токах.

В первичной обмотке трансформатора 3 растет ток намагничивания и накапливается магнитная энергия и при прямом включении выпрямительного диода (диод на схеме не показан) через вторичную обмотку происходит передача тока в нагрузку.

В это же время начинается колебательный перезаряд кондесаторов 6 и 7: конденсатора 6 по цепи - ключ 2, дроссель 8 и диод 10; конденсатора 7 по цепи - ключ 1, дроссель 9, диод 12, при этом токи перезаряда конденсаторов имеют форму полуволны синусоиды.

Амплитуда токов перезаряда конденсаторов
где U_п - напряжение питания ;
С - емкость контура перезаряда ;
L - индуктивность контура перезаряда.

При идеальных колебательных контурах, конденсаторы 6 и 7 перезарядились бы до напряжения, равного напряжению в момент замыкания ключей 1 и 2, но противоположной полярности, т.е. до напряжения питания (U_п).

Однако, из-за потерь в контуре, этого не происходит, поэтому при размыкании ключей на них будет вначале небольшой скачок напряжения, а затем уже нарастание, скорость которого зависит от выключаемого тока.

Дополнительная энергия для полного перезаряда конденсаторов может быть введена с помощью дополнительных обмоток трансформатора 3 (на схеме не показаны).

Таким образом, в предлагаемом преобразователе обеспечивается формирование безопасной траектории переключения ключей.

К основным преимуществам заявляемого преобразователя следует отнести следующее:
- симметричная работа обоих силовых ключей, поэтому импульсный ток перезаряда конденсаторов, проходящий через эти ключи, вдвое меньше при той же эффективности LCD-цепей, что уменьшает общий ток ключей, т.е. позволяет увеличить мощность преобразователя;
- наличие двух LCD-цепей позволяет расположить элементы и соединяющие их проводники таким образом, что происходит компенсация высокочастотных электромагнитных полей и снижение уровня радиопомех.

Формула изобретения

Полумостовой преобразователь постоянного напряжения, содержащий два управляемых ключа, выходной трансформатор, выводы первичной обмотки которого соединены через соответствующие управляемые ключи с входными выводами преобразователя, а вторичная обмотка трансформатора через выпрямитель подключена к выходным выводам преобразователя, два рекуперационных диода, каждый из которых включен параллельно цепи, состоящей из первичной обмотки трансформатора и ключа, в направлении отдачи энергии в источник питания и две цепочки, первая, содержащая последовательно включенные конденсатор и первый диод, включена параллельно первичной обмотке трансформатора, причем катод первого диода соединен с началом этой обмотки, а вторая цепочка, содержащая последовательно соединенные второй диод и дроссель, подключена катодом второго диода к общей точке соединения конденсатора и первого диода, а выводом дросселя - к клемме входного отрицательного вывода преобразователя, отличающийся тем, что в него введены две дополнительные цепочки, одна из которых, состоящая из последовательно соединенных конденсатора и третьего диода, подключена параллельно первичной обмотке трансформатора так, что анод третьего диода соединен с концом этой обмотки, а другая дополнительная цепочка, состоящая из последовательно соединенных четвертого диода и дросселя, подключена анодом четвертого диода к общей точке соединения конденсатора и диода первой дополнительной цепочки, а выводом дросселя - к клемме входного положительного вывода преобразователя.

РИСУНКИ

Рисунок 1