Стабилизированный преобразователь напряжения

Изобретение относится к электротехнике, в частности к вторичным источникам питания. Техническим результатом изобретения является повышение надежности и КПД преобразователя путем снижения коммутационных потерь в транзисторных ключах при любом значении тока нагрузки. Это достигается тем, что в стабилизированный преобразователь введен датчик тока (15), включенный между вторым выводом корректирующего дросселя (14) и общей точкой транзисторных ключей (1), (2), выход которого подключен ко вторым входам второго элемента задержки (18) и модулятора фазы переключения транзисторных ключей (22). Минимум коммутационных потерь определяется выбором длительности паузы, формируемой элементами задержки (17), (18). 5 ил.

 

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

Известны преобразователи напряжения, содержащие первый и второй транзисторные ключи, трансформатор, первичная обмотка которого соединена первым выводом со средней точкой транзисторных ключей, а вторым - с конденсатором, подключенным к выводу второго транзисторного ключа и выводу первичного источника питания [1].

В таком преобразователе коммутация транзисторных ключей осуществляется при напряжении на них, близком к нулю (режим "мягкой коммутации"). При этом снижаются коммутационные потери в транзисторных ключах, что повышает КПД устройства и снижает электромагнитные помехи.

Однако при изменении тока нагрузки преобразователя в широком диапазоне режим "мягкой коммутации" возможен лишь при существенном изменении частоты переключений, что часто неприемлемо. Максимальное напряжение на транзисторных ключах значительно превосходит напряжение первичного источника питания, что снижает надежность преобразователя. Для того, чтобы при любой нагрузке напряжение на транзисторном ключе перед его включением гарантированно приближалось к нулю, трансформатор должен иметь повышенное значение индуктивности рассеяния, что увеличивает потери в нем.

Кроме того, введение такого режима переключений вызывает неоправданное усложнение устройства.

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, выходная обмотка которого через выпрямитель подключена к сглаживающему фильтру, выход которого соединен с выводами для подключения нагрузки, блок управления, первый вход которого соединен с выходом сглаживающего фильтра, второй вход - с выводом первичного источника питания, фильтрующий конденсатор, первый вывод которого соединен с выводом первичного источника питания, а второй - с первым выводом первичной обмотки трансформатора, второй вывод первичной обмотки трансформатора соединен с первым выводом корректирующего дросселя, а второй вывод последнего подключен к общей точке последовательно соединенных транзисторных ключей, корректирующий конденсатор, первый вывод которого соединен с первым выводом первичной обмотки трансформатора, а второй - с общей точкой транзисторных ключей, парафазные выходы блока управления соединены с управляющими входами первого и второго элементов задержки, а выходы элементов задержки соединены с управляющими входами соответствующих транзисторных ключей, блок управления содержит усилитель сигнала рассогласования выходного напряжения преобразователя и источника опорного напряжения, блок модулятора фазы переключения транзисторных ключей, вход которого подключен к выходу усилителя сигнала рассогласования, а его выходы являются выходами блока управления [2].

В этом преобразователе стабилизация выходного напряжения осуществляется путем модуляции фазы переключения транзисторных ключей. В зависимости от выходной мощности и, главным образом, от величины тока нагрузки, может применяться как двухтактный выпрямитель со сглаживающим LC-фильтром, так и однотактный выпрямитель с С-фильтром. В последнем случае схема преобразователя приближается к классическому "обратноходовому" преобразователю, но имеет активное размагничивание сердечника трансформатора и низкое значение максимального напряжения на транзисторных ключах.

В этом преобразователе осуществляется режим "мягкой коммутации", и коммутационные потери близки к нулю [3].

Однако, как указано в [2], при снижении тока нагрузки ниже определенного предела очередное включение транзистора происходит в момент, когда напряжение на нем не успевает уменьшиться до нуля. Это вызывает появление коммутационных потерь мощности. Эти потери возникают при малых значениях тока нагрузки и, если номинальная выходная мощность преобразователя невелика, ими можно пренебречь. Если же преобразователь имеет выходную мощность 100...200 Вт и более, эти потери приводят к тому, что транзисторные ключи при малых токах и холостом ходе рассеивают ту же мощность, что и при полной нагрузке. Заряд корректирующего конденсатора через открывающийся второй транзисторный ключ вызывает короткий импульс тока, превышающий максимальное значение тока при полной нагрузке. Указанный недостаток не позволяет поддерживать высокую эффективность преобразования во всем диапазоне изменения тока нагрузки от максимального до холостого хода.

Техническим результатом, получаемым при осуществлении изобретения, является повышение надежности и КПД преобразователя путем снижения коммутационных потерь в транзисторных ключах при любом значении тока нагрузки. Это достигается тем, что в стабилизированный преобразователь напряжения введен датчик тока, включенный между общей точкой транзисторных ключей и вторым выводом корректирующего дросселя, выход которого подключен ко вторым входам второго элемента задержки и модулятора фазы переключения транзисторных ключей.

На фиг.1 приведена схема предлагаемого преобразователя напряжения; на фиг.2, 3, 4 - эпюры, поясняющие работу преобразователя; на фиг.5 - пример выполнения элементов задержки.

На чертежах и в тексте приняты следующие обозначения:

1 - первый транзисторный ключ, 2 - второй транзисторный ключ, 3 и 4 - антипараллельные диоды, 5 - первичный источник питания, 6 - трансформатор, 7 - выходная обмотка трансформатора, 8 - выпрямитель, 9 - сглаживающий фильтр, 10 - нагрузка, 11 - блок управления, 12 - фильтрующий конденсатор, 13 - первичная обмотка трансформатора, 14 - корректирующий дроссель, 15 - датчик тока, 16 - корректирующий конденсатор, 17 - первый элемент задержки, 18 - второй элемент задержки, 19 - усилитель сигнала рассогласования, 20 - источник опорного напряжения, 21 - элемент гальванической развязки, 22 - модулятор фазы переключения транзисторных ключей, 23, 24, 25 - транзисторы, 26, 27, 28, 29, 30, 31 - резисторы, 32,33 - конденсаторы, 34 - диод.

Устройство содержит первый 1 и второй 2 транзисторные ключи, шунтированные антипараллельными диодами 3, 4 и подключенные к разнополярным выводам первичного источника питания 5, трансформатор 6, выходная обмотка которого 7 через выпрямитель 8 подключена к сглаживающему фильтру 9, выход которого соединен с выводами для подключения нагрузки 10, блок управления 11, первый вход которого соединен с выходом сглаживающего фильтра 9, второй вход - с выводом первичного источника питания 5, фильтрующий конденсатор 12, первый вывод которого соединен с выводом первичного источника питания 5, а второй - с первым выводом первичной обмотки 13 трансформатора 6, второй вывод первичной обмотки 13 трансформатора 6 соединен с первым выводом корректирующего дросселя 14, а второй вывод последнего через датчик тока 15 подключен к общей точке последовательно соединенных транзисторных ключей 1, 2, корректирующий конденсатор 16, первый вывод которого соединен с первым выводом первичной обмотки 13 трансформатора 6, а второй - с общей точкой транзисторных ключей 1, 2, парафазные выходы блока управления 11 соединены соуправляющими входами первого 17 и второго 18 элементов задержки, а выходы элементов задержки 17, 18 соединены с управляющими входами соответствующих транзисторных ключей 1, 2, блок управления 11 содержит усилитель рассогласования 19 выходного напряжения преобразователя и источника опорного напряжения 20, модулятор фазы переключения 22 транзисторных ключей 1, 2, первый вход которого через элемент гальванической развязки 21 подключен к выходу усилителя сигнала рассогласования 19, а второй вход соединен с выходом датчика тока 15, подключенного ко второму входу второго элемента задержки 18. Элемент задержки 18 с модуляцией длительности паузы состоит из импульсного формирователя, выполненного на транзисторах 23, 24, входом соединенного с выходом модулятора переключении 22 и линейного усилителя, выполненного на транзисторе 25, входом соединенного с выходом датчика тока 15. Выход транзистора 23 соединен со входом транзисторного ключа 2.

Устройство работает следующим образом.

Напряжение первичного источника питания 5 поступает на транзисторные ключи 1, 2 и на вход питания блока управления 11. Модулятор фазы переключения 22 начинает формировать парафазные импульсы, которые через элементы задержки 17, 18 поочередно отпирают транзисторные ключи 1, 2. Постоянная составляющая импульсов напряжения на транзисторных ключах 1, 2 выделяется фильтрующим конденсатором 12, заряженным в полярности, указанной на фиг.1. Переменная составляющая импульсов поступает на первичную обмотку 13 трансформатора 6 и с его выходной обмотки 7 - на выпрямитель 8. Выпрямленное напряжение через фильтр 9 поступает на выход преобразователя и в нагрузку 10. Момент переключения транзисторных ключей 1, 2 определяется разностью напряжений на выходе преобразователя и источника опорного напряжения 20, которая через усилитель сигнала рассогласования 19 и элемент гальванической развязки 21 поступает на первый вход модулятора 22.

Элементы задержки 17 и 18 исключают возникновение сквозного тока через транзисторные ключи 1 и 2. Кроме того, образуемая элементами задержки 17, 18 коммутационная пауза, благодаря наличию корректирующих дросселя 14 и конденсатора 16, используется для формирования режима "мягкой коммутации". В частности, ключ 1 включается, когда напряжение на нем приближается к нулю, а при запирании скорость роста напряжения на нем сдерживается перезарядом корректирующего конденсатора 16.

Регулирование выходного напряжения осуществляется модуляцией фазы переключения транзисторных ключей 1 и 2, в отличие от систем с ШИМ, без регулировочной паузы. При этом построение модулятора фазы переключения 22 аналогично ШИМ модулятору однотактных преобразователей. В предлагаемом преобразователе процессы в транзисторных ключах несимметричны, а частота переключений стабильна. Поэтому при минимизации коммутационных потерь в режиме полной выходной мощности, невозможно добиться минимума потерь на холостом ходе (без нагрузки преобразователя).

Минимум коммутационных потерь определяется выбором длительности паузы, формируемой элементами задержки 17, 18. Вследствие несимметричности процессов, длительность паузы, определяемой элементом 17, не играет существенной роли, она должна быть не менее определенной величины (ограничена снизу).

К длительности паузы, определяемой элементом 18, предъявляются противоречивые требования.

На фиг.2а, 2б - показаны эпюры напряжения и тока транзисторного ключа 1 для значения задержки, оптимальной для полной мощности преобразователя. На фиг.2в, 2г - показаны эпюры напряжений и токов в режиме холостого хода. Вследствие изменения параметров процесса возникает выброс тока через транзисторный ключ 1. Снижение тока нагрузки приводит к увеличению длительности фронтов импульсов напряжения, поэтому отпирание транзисторного ключа 1 происходит при разряженном корректирующем конденсаторе 16. Заряд этого конденсатора и вызывает выброс тока.

На фиг.3в, 3г показаны эпюры напряжения и тока с большим значением задержки, оптимальной для холостого хода, что позволяет исключить импульсы тока. Но, как видно из фиг.3а, 3б, это приводит к включению ключа 1 при напряжении, далеком от нуля, и возрастанию коммутационных потерь. Кроме того, в практических схемах такое явление вызывает потерю устойчивости в контуре регулирования.

Указанное обстоятельство делает целесообразным введение модуляции длительности паузы, формируемой элементом задержки 18.

Оптимальная длительность паузы зависит не только от тока нагрузки преобразователя, но и от величины напряжения первичного источника питания 5. Однако это напряжение, являясь внешним воздействием для системы регулирования, присутствует в правых частях описывающих дифференциальных уравнений и не оказывает сколько-нибудь значительного влияния на процессы коммутации. Напротив, пересчитанное в первичную цепь сопротивление нагрузки присутствует в коэффициентах уравнений и в явном виде определяет процессы.

Как правило, для практических целей достаточной является модуляция длительности паузы, формируемой элементом задержки 18 в зависимости от величины тока, протекающего через введенный датчик тока 15. Этот датчик одновременно используется для защиты преобразователя от перегрузок. С целью защиты от перегрузок выход датчика Г5 соединен с входом модулятора фазы переключений 22, а с целью модуляции длительности коммутационной паузы - со вторым входом элемента задержки 18.

На фиг.4а, 4б показаны эпюры напряжений и токов в транзисторном ключе 1 при полной нагрузке и минимальном значении паузы. На фиг.4в, 4г показаны эпюры для режима холостого хода при максимальном значении паузы. Как видно из фиг.4, минимизация коммутационных потерь достигается при любом значении тока нагрузки, что делает предлагаемый преобразователь оптимальным в широком диапазоне выходных мощностей. В практических схемах изменение длительности паузы происходит при значении тока нагрузки 0,1...0,15 от номинального значения.

Датчик тока 15 может быть выполнен, например, в виде трансформатора тока. Элемент задержки 18, показанный на фиг.5, работает следующим образом. При появлении на выходе модулятора 22 высокого уровня напряжения через дифференцирующую цепь из элементов 28, 32 происходит отпирание транзистора 24. До завершения заряда конденсатора 32 транзистор 23 заперт. Когда на выходе модулятора 22 появляется низкий уровень напряжения, транзисторный ключ 2 запирается через диод 34. Таким образом, длительность паузы определяется параметрами цепи 28, 32.

На вход линейного усилителя (база транзистора 25) поступает сигнал с датчика тока 15. Если величина тока значительна, то транзистор 25 открыт, и конденсатор 33 разряжен. В этом случае постоянная времени дифференцирующей цепи минимальна и длительность паузы мала. При снижении тока нагрузки транзистор 25 начинает закрываться, конденсатор 33 заряжается, постоянная времени дифференцирующей цепи растет и на холостом ходе максимальна.

В настоящее время разработана, изготовлена и эксплуатируется партия из 6-ти шт. опытных образцов преобразователей, работающих от выпрямленной сети ˜220 В.

Выходные параметры преобразователя: 48 В, 3 А. Частота коммутации - 100 кГц. КПД - 0,90.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гончаров А.Ю. Способ преобразования постоянного напряжения в постоянное и устройство для его осуществления. Патент РФ 2072616, 6 Н 02 М 3/335. 1997, Бюл. №3.

2. Гутер Л.Р. Стабилизированный преобразователь напряжения. Патент РФ 2080734, 6 Н 02 М 3/337. 1997, Бюл. №15.

3. Гутер Л.Р. Пребразователь напряжения с амплитудно-широтной модуляцией. Радиопромышленность, произв.-техн. сб., М., 1996, вып.1, стр.33-39.

Стабилизированный преобразователь напряжения, содержащий первый и второй транзисторные ключи, шунтированные антипараллельными диодами и подключенные к разнополярным выводам первичного источника питания, 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 трансформатора, второй вывод первичной обмотки трансформатора соединен с первым выводом корректирующего дросселя, корректирующий конденсатор, первый вывод которого соединен с первым выводом первичной обмотки трансформатора, а второй - с общей точкой транзисторных ключей, парафазные выходы блока управления соединены с управляющими входами первого и второго элементов задержки, а выходы элементов задержки соединены с управляющими входами соответствующих транзисторных ключей, блок управления, первый вход которого соединен с выходом сглаживающего фильтра, второй вход - с выводом первичного источника питания, состоящий из усилителя рассогласования выходного напряжения преобразователя, источника опорного напряжения и модулятора фазы переключения транзисторных ключей, первый вход которого через элемент гальванической развязки подключен к выходу усилителя сигнала рассогласования, а выходы которого являются выходами блока управления, отличающийся тем, что в него введен датчик тока, включенный между общей точкой транзисторных ключей и вторым выводом корректирующего дросселя, выход которого подключен ко вторым входам второго элемента задержки и модулятора фазы переключения транзисторных ключей.