Двухтактный нерегулируемый преобразователь напряжения

Изобретение относится к электротехнике, в частности к источникам вторичного электропитания. Техническим результатом изобретения является повышение надежности преобразователя при перегрузках и коротких замыканиях выхода с обеспечением включения на емкостную нагрузку. Это достигается тем, что в двухтактный преобразователь, работающий без регулируемой паузы с синхронизирующим генератором (22), введен стробирующий генератор (29), который периодически, на короткое время блокирует отключающий триггер защиты от перегрузки, выполненный на транзисторах (19, 33). В течение этого времени защита переводится в режим токоограничения, а силовые транзисторные ключи (1, 2) - в активный режим. Скважность импульсов стробирующего генератора (29) выбирается так, чтобы избежать перегрева транзисторных ключей (1, 2). Быстродействующая защита преобразователя позволяет включать преобразователь на емкостную нагрузку и обеспечить надежную работу транзисторных ключей (1, 2) при перегрузках и коротких замыканиях выхода. 3 ил.

 

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

Известны преобразователи напряжения, содержащие два транзисторных ключа, поочередная коммутация которых приводит к перемене направления тока в первичной обмотке трансформатора или дросселя [1, 2]. Эти преобразователи являются регулируемыми, аварийное нарастание тока в их выходной цепи сдерживается дросселем, установленным в цепи нагрузки.

Самыми распространенными являются двухтактные нерегулируемые преобразователи напряжения, содержащие два транзисторных ключа, подключенных к общей шине схемы и к противоположным выводам первичной обмотки трансформатора, а средний вывод обмотки подключен ко входу питания.

Такие преобразователи работают в симметричном режиме без регулировочной паузы и формируют с помощью выпрямителя нестабилизированное выходное напряжение [3]. При этом осуществляется преобразование уровня напряжения и гальваническая развязка входных и выходных цепей. К достоинствам этих преобразователей можно отнести жесткую выходную нагрузочную характеристику и отсутствие необходимости дросселя в выходной цепи выпрямителя. Использование С-выходного фильтра уменьшает габариты устройства.

Недостатком таких преобразователей является проблематичность построения эффективной быстродействующей защиты, обеспечивающей надежную работу схемы при включении на емкостную нагрузку и при коротких замыканиях выхода.

В отличие от регулируемых преобразователей, транзисторные ключи которых имеют регулируемые интервалы открытого и закрытого состояния, в этих преобразователях транзисторные ключи поочередно и постоянно открыты в течение полупериода. Кроме того, в регулируемых преобразователях нарастание тока сдерживается индуктивностью дросселя (прямоходовой преобразователь) или обмотки трансформатора в дроссельном включении (обратноходовой преобразователь).

В нерегулируемых двухтактных преобразователях с С-выходным фильтром при запуске на емкостную нагрузку или при перегрузках и коротких замыканиях выхода нарастание тока в транзисторных ключах сдерживается лишь незначительной индуктивностью рассеивания обмоток трансформатора.

Таким образом, быстродействующая защита не позволяет осуществить запуск преобразователя на нагрузку с емкостной составляющей и обеспечить устойчивую работу в условиях помех, а инерционная защита не обеспечивает безопасность транзисторных ключей.

Наиболее близким к предлагаемому является двухтактный нерегулируемый преобразователь напряжения с защитой, содержащий первый и второй транзисторные ключи, эмиттерами подключенные к общей шине и одному выводу первичного источника питания, коллекторами подключенные к крайним выводам первичной обмотки трансформатора, средний вывод первичной обмотки трансформатора через датчик тока подключен к другому выводу первичного источника питания, вторичная обмотка трансформатора через выпрямитель и емкостной фильтр подключена к нагрузке, переходы база-эмиттер транзисторных ключей подключены к обмоткам управления трансформатора и к шине питания через резисторы к датчику тока подключен переход база-эмиттер транзистора-токоограничителя, коллектор последнего подключен к базам двух комплементарных ему транзисторов через резисторы, переходы коллектор-эмиттер транзисторов шунтируют входы первого и второго транзисторных ключей [4].

В этом преобразователе опасное возрастание коллекторного тока транзисторов определяется с помощью резистора и приводит к отпиранию транзисторов. Это приводит к шунтированию переходов база-эмиттер транзисторных ключей и уменьшению тока в их базовых цепях. Транзисторы выходят из насыщения, переходя в активную область характеристик, что приводит к возрастанию частоты переключений преобразователя. При этом коллекторный ток ограничивается на безопасном уровне, но рассеиваемая в транзисторных ключах мощность резко возрастает.

Как следствие, данный преобразователь может применяться исключительно при малых мощностях нагрузки. При мощности нагрузки в рабочем режиме в десятки ватт и более такой способ построения защиты не обеспечивает работы преобразователя. Короткое замыкание его выхода приводит к перегреву и пробою транзисторных ключей в течение нескольких секунд.

Техническим результатом, получаемым при осуществлении изобретения, является обеспечение надежности преобразователя при включении на емкостную нагрузку и при длительном коротком замыкании выхода.

Это достигается тем, что в преобразователь напряжения введен синхронизирующий генератор, подключенный выводами питания к общей шине и к выходу диодного мостового выпрямителя, запитанного от обмотки управления трансформатора, а выходом подключенный через объединенные катодами диоды к затворам первого и второго транзисторных ключей, кроме того, введен стробирующий генератор, выводами питания подключенный к выходу вспомогательного источника питания, а выходом - через резистор подключен к базе блокирующего транзистора, эмиттер последнего подключен к выводу вспомогательного источника питания, а его коллектор - к эмиттеру отключающего транзистора, комплементарного транзистору-токоограничителю, образуя с ним с помощью резистивных связей отключающий триггер.

На фиг.1 приведена схема предлагаемого преобразователя напряжения, на фиг.2, 3 - эпюры, поясняющие работу преобразователя.

Устройство содержит первый 1 и второй 2 транзисторные ключи, истоками подключенные к общей шине и одному выходу первичного источника питания 3, стоками подключенные к крайним выводам первичной обмотки 4 трансформатора 5, средний вывод первичной обмотки 4 трансформатора 5 через датчик тока 6 подключен к другому выводу первичного источника питания 3, вторичная обмотка 7 трансформатора 5 через выпрямитель 8 и емкостной фильтр 9 подключена к нагрузке 10, обмотка управления 11 через последовательно включенные конденсатор 12 и резистор 13 подключена к затворам первого 1 и второго 2 транзисторных ключей, переходы сток-затвор и затвор-исток шунтированы резисторами 14, 15, 16, 17, выход датчика тока 6 через резистор 18 подключен к базе транзистора-токоограничителя 19, его коллектор, через диоды 20 и 21 с общим катодом, подключен к затворам первого 1 и второго 2 транзисторных ключей, синхронизирующий генератор 22, подключенный входами питания к общей шине и к выходу мостового выпрямителя, состоящего из диодов 23, 24, 25, 26, запитанного от обмотки управления 11 трансформатора 5, а выходом подключенный через диоды 27, 28 с общим катодом к затворам первого 1 и второго 2 транзисторных ключей, стробирующий генератор 29, входами питания подключенный к выходу вспомогательного источника питания 30, выходом - через резистор 31 к базе блокирующего транзистора 32, эмиттер последнего подключен к выводу вспомогательного источника питания 30, коллектор - к эмиттеру отключающего транзистора 33, комплементарного транзистору-токоограничителю 19, образуя с ним отключающий триггер, к базе транзистора 33 подключен помехоподавляющий конденсатор34, затвор первого транзисторного ключа 1 через переход анод-катод диода 35 подключен к стоку второго транзисторного ключа 2, затвор второго транзисторного ключа 2 через переход анод-катод диода 36 подключен к стоку первого транзисторного ключа 1.

Устройство работает следующим образом.

Напряжение первичного источника питания 3 через датчик тока 6 и первичную обмотку 4 трансформатора 5 с помощью резистивных делителей напряжения 14, 15 и 16, 17 поступает в затворы транзисторных ключей 1 и 2. Открытие транзисторных ключей приводит к возникновению тока в первичной обмотке 4 и напряжения в обмотке управления 11, включенной в полярности, обеспечивающей возникновение автоколебаний. Диоды 35, 36 препятствуют одновременному открытию транзисторных ключей 1 и 2.

Напряжение, поступающее от обмотки управления 11 через конденсатор 12 и резистор 13 в цепи затворов транзисторных ключей 1, 2, выпрямляется мостовым выпрямителем из диодов 23, 24, 25, 26. Это напряжение поступает на вход питания синхронизирующего генератора 22, формирующего короткие тактовые импульсы, показанные на фиг.2а). Импульсы через диоды 27, 28 поступают на затворы транзисторных ключей 1, 2, что позволяет синхронизировать работу преобразователя с тактовой частотой генератора 22. Напряжение на транзисторах 1, 2 (сток-исток и затвор-исток), а также токи в переходах сток-исток показаны соответственно на фиг.2б), 2в) и 2г).

Симметричные импульсы напряжения, возникающие на вторичной обмотке 7, через выпрямитель 8 и емкостной фильтр 9 поступают в нагрузку 10. Ток первичной обмотки 4, регистрируемый датчиком тока 6, формирует отпирающее напряжение, поступающее через резистор 18 в базу транзистора-токоограничителя 19. При превышении установленного значения тока происходит отпирание транзистора 19 и шунтирование цепей затворов транзисторных ключей 1, 2 с помощью диодов 20, 21. Это приводит к ограничению тока стоков транзисторных ключей 1, 2.

Частота автоколебаний преобразователя резко возрастает и превышает частоту импульсов, формируемых синхронизирующим генератором 22. Понижение напряжения на затворах транзисторов 1, 2 не позволяет им полностью отпираться, т.е. переводит в активный режим.

Современные силовые полевые транзисторы при кратковременных перегрузках имеют область максимальных режимов (в вольт-амперных координатах), близкую к прямоугольной. В течение нескольких микросекунд их допустимая мощность составляет сотни Ватт. В этих условиях единственным опасным параметром является тепловой перегрев кристалла транзистора.

Для исключения перегрева используется введенный стробирующий генератор 29. Он формирует импульсы низкой частоты (1...2 Гц), показанные на фиг.3а). В течение длительности импульса генератора 29 блокирующий транзистор 32 заперт и, следовательно, заперт отключающий транзистор 33. При возникновении перегрузок в выходной цепи преобразователя транзистор-токоограничитель 19, отпираясь, фиксирует ток транзисторных ключей 1, 2 на безопасном уровне.

В паузе между импульсами стробирующего генератора 29 блокирующий транзистор 32 открыт. При открытом состоянии транзистора 19, после заряда помехоподавляющего конденсатора 34, отключающий транзистор 33 также открывается, что приводит к срабатыванию отключающего триггера, образованного транзисторами 19, 33. Срабатывание триггера приводит к полному запиранию транзисторных ключей 1, 2.

Длительность импульса стробирующего генератора 29 должна быть достаточной для включения преобразователя с максимально необходимой емкостью конденсатора, установленного на его выходе. При этом обеспечивается ограничение тока транзисторных ключей 1, 2 на безопасном уровне, но начинается процесс их нагрева.

Длительность паузы между импульсами стробирующего генератора 29 выбирается таким образом, чтобы обеспечить достаточное охлаждение транзисторных ключей 1, 2 за время их выключенного состояния. В результате тепловой режим ключей при работе на короткозамкнутую нагрузку мало отличается от режима номинальной нагрузки.

В момент включения преобразователя работа стробирующего генератора 29 начинается с формирования импульса, поэтому задержки в появлении выходного напряжения не происходит и длительность паузы между импульсами может быть выбрана произвольно большой.

Процессы изменения токов и напряжений в транзисторных ключах 1, 2 при возникновении и исчезновении перегрузки показаны на фиг.3б) и 3в).

В настоящее время изготовлено пять опытных образцов преобразователей напряжения с выходной мощностью 50 Вт. Номинальное значение выходного напряжения - 27 В. Выходное напряжение - 48 В. Частота работы синхронизирующего генератора - 200 кГц, стробирующего - 1 Гц. КПД > 0,9.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гутер Л.Р. Стабилизированный преобразователь напряжения. Патент РФ 2080734, 6Н02М 3/337, 1997, Бюлл. №15.

2. Бахшиев М.Д.О. Источник питания для электролюминесцентной панели. Патент РФ 2210120, 7G09G 3/12,5/ 10.2003, Бюлл. №22.

3. Бас А.А., Миловзоров В.П., Мусолин А.К. Источники вторичного электропитания с бестрансформаторным входом. М.: Радио и связь, 1987, Глава 5, рис.5.1-5.12.

4. Бас А.А., Миловзоров В.П., Мусолин А.К. Источники вторичного электропитания с бестрансформаторным входом. М.: Радио и связь, 1987, стр.150, рис.8.1.

Двухтактный нерегулируемый преобразователь напряжения, содержащий первый и второй транзисторные ключи, истоками подключенные к общей шине и одному выводу первичного источника питания, стоками подключенные к крайним выводам первичной обмотки трансформатора, средний вывод первичной обмотки трансформатора через датчик тока подключен к другому выводу первичного источника питания, вторичная обмотка трансформатора через выпрямитель и емкостной фильтр подключена к нагрузке, обмотка управления трансформатора через конденсатор и резистор подключена к затворам первого и второго транзисторных ключей соответственно, переходы сток-затвор и затвор-исток которых шунтированы резисторами 14-17, выход датчика тока через резистор 18 подключен к базе транзистора-токоограничителя, коллектор которого через объединенные катодами диоды 20, 21 подключен к затворам первого и второго транзисторных ключей, отличающийся тем, что введен синхронизирующий генератор, подключенный выводами питания к общей шине и к выходу диодного мостового выпрямителя, запитанного от обмотки управления трансформатора, а выходом подключенный через объединенные катодами диоды 27, 28 к затворам первого и второго транзисторных ключей, кроме того, введен стробирующий генератор, выводами питания подключенный к выходу вспомогательного источника питания, а выходом - через резистор 31 подключен к базе блокирующего транзистора, эмиттер последнего подключен к выводу введенного вспомогательного источника питания, а его коллектор - к эмиттеру отключающего транзистора, комплементарного транзистору-токоограничителю, образуя с ним с помощью резистивных связей отключающий триггер.