Однотактный преобразователь напряжения

СОЮЗ СОВЕТСКИ СОЦИАЛИСТИЧЕС =.I РЕСПУБЛИК(51)5 Н 02 М 3/335 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Научно-исследовательский институт автоматики и электромеханики при Томскоминституте автоматизированных систем управления и радиоэлектроники(56) Моин В.СЛаптев Н.Н, Стабилизированные транзисторные преобразователипостоянного напряжения. М.: Энергия,1972, с. 346-348Авторское свидетельство СССРМ 1101988, кл. 3/3351984,(57) Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использованов регулируемых источниках вторичногоэлектропитания, в преобразователях с многоячеистой структурой. Цель изобретения - повышение КПД и снижение уровня генерируемых радиопомех. Преобразователь содержит трансформаторный узел 1, входная цепь которого подключена к выходу ключевого коммутатора 4, а выходная - к выходным выводам, Входная цепь образована Й первичными обмотками, выполнеными на одном или нескольких трансформаторах 14 и соединенными через (1(-1) введенных диодов 11 согласно-последовательно между собой, к началу первой обмотки через 2(1-1) введенных конденсаторов 9 подключены начала остальных обмоток, ак концу последней через конденсаторы 10 - концы остальных обмоток, Это позволяет использовать преобразователь на этапе переключения ключей как резонансный, т,е. без динамических потерь, а на основной части периода как обычный преобразователь с прямым или обратным включением диода, 5 ил,20 узел 1, входная цепь 2, 3 которого подключена к коммутатору 4 на ключевых эле 30 Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в регулируемых источниках вторичного электропитания, в преобразователях с многоячеистой структурой,На фиг. 1 показана структурная схема предложенного однотактного преобразователя напряжения; на фиг. 2 - схема преобразователя напряжения с тра нсформаторн ы м узлом, вкл ючен нь.м последователъно с ключевым элементом, и с обратным включением диода выпрямителя в цепи нагрузки; на фиг. 3 - схема преобразователя, с предлокенным трансформаторным узлом, включенным параллельно ключевому элементу коммутатора; на фиг, 4 трансформаторный узел, выполненный натрех трансформаторах и четырех первичных обмотках во входной цепи; на фиг. 5 - осциллограммы на транзисторном ключе ксммутатора,Однотактный преобразователь напряжения содержит (фиг. 1) трансформаторный ментах 5, а выходная 6, 7 - к нагрузке 8. Трансформаторный узел 1 выполнен, например, на двух конденсаторах 9 и 10, одном диоде 11 и двух первичных обмотках 12 и 13, например, одного трансформатора 14, Первичные обмотки 12 и 13 соединены через диод 11 согласно-последовательно между собой. К началу обмотки 12 через конденсатор 9 подключено начало обмотки 13, а к концу обмотки 13 через конденсатор 10 - конец обмотки 12, Коммутатор 4 через фильтр 15 подключен к питающим шинам 16 и 17,Коммутатор 4 может быть выполнен по любой из известных схем, например на двух транзисторах и двух рекуперационных диодах (мостовая однотактная схема), В этой схеме при любых режимах работы напряжение на ключевых элементах не превышает напряжения с выхода фильтра 15.Для примера на фиг, 2 показана наиболее простая электрическая схема преобразователя на одном транзисторном ключе 5. Выходная цепь 6, 7 трансформаторного узла 1 подключена через диод 18 и конденсатор 19 к сопротивлению 20 нагрузки 8. К питающим шинам 16 и 17 подключен фильтр 15 на конденсаторе 21,На фиг. 3 трансформаторный узел 1 подключен параллельно ключевому элементу 5, выполненному, например, на полевом транзисторе. При коммутации транзистора 5 ограничение тока разряда конденсатора 21 обеспечивает дроссель 22, Фильтр 15 в этой схеме выполнен по Г-образной схеме из ем 40 45 50 55 кости 21 и индуктивности 22. К выходной цепи сопротивление 20 нагрузки подключено непосредственно,На осциллограммах фиг. 5 позицией 23 обозначено на п ря хе ни е на тра нзисторном ключе 5 (фиг, 2), позицией 24 - ток через транзисторный ключ 5.Преобразователь по схеме на фиг, 2 работает следующим образом,На первом этапе транзисторный ключ 5 закрыт, конденсаторы 9, 10 и 19 разряжены, а конденсатор 21 заряжен до напряжения источника питания. При открывании ключа 5, момент т 1(фиг. 5), по колебательному закону начинается процесс заряда конденсаторов 9 и 19 и плавное нарастание тока 24 через ключ 5. Скорость нарастания тока ограничена индуктивностью трансформатора 14. Когда в момент 12 напряжение на конденсаторах 9 и 10 достигнет величины половины напряжения на конденсаторе 21, . открывается диод 11 и до момента 1 з преобразователь работает так жекак и при отсутствии элементов 9, 10 и 11, При обратном включении диода 18 энергия питающей сети в это время запасается в индуктивности трансформатора 14, В момент тз ключ 5 запирается при нулевом напряжении на нем и максимальном (в этом полупериоде) токе. Затем конденсатор 9 разряжается на обмотку 12 через диод 11, а конденсатор 10 - на обмотку 13 через диод 11. Запасенная энергия в трансформаторе 14 через диод 18 подэаряжает конденсатор 19, который поддерживает постоянное напряжение на сопротивлении 20 нагрузки в течение оставшейся части периода. Запасенная энергия в обмотках трансформатора также перезарякает конденсаторы 9 и 10 через диод 11 (т 4, фиг,5), После прекращения тока в выходной цепи 6, 7 преобразователь готов к следующему циклу работы, Процессы переключения тра.нсформатора 14 из режима накопления в режим отдачи энергии в нагрузку осуществляются по колебательному закону, что уменьшает спектр высших гармоник как в цепи питания 16, 17, так и в цепи нагрузки 6, 7, Время перезаряда конденсаторов 9 и 10 можно регулировать, изменяя их величину, Величина емкости этих конденсаторов обусловливает форму тока через ключ 5.Подключение трансформаторного узла параллельно ключевому элементу 5 (фиг. 3) практически не изменяет формы тока и напряжения на ключевом элементе. При закрытом транзисторе 5 конденсаторы 9 и 10 заряжены. В момент отпирания ключа 5 через него и индуктивность 22 начинает протекать ток разряда конденсатора 21 ипитающей сети по шинам 16 и 17, а также ток разряда конденсаторов 9 и 10 через обмотки 12 и 13 трансформатора 14. В выходную цепь 6, 7 и нагрузку поступает энергия, запасенная в конденсаторах 9 и 10, После того, как конденсаторы 9 и 10 разрядятся, а ток через дросель 22 достигнет максимальной величины, запирается ключ 5, В момент запирания ключа 5 на нем присутствует минимальное напряжение (падение на диоде 11), Запасенная энергия дросселя 22 по колебательному или линейному) закону заряжает конденсаторы 9 и 10 через диод 11 и передается в нагрузку 20 через трансформатор 14, так как в процессе заряда конденсаторов 9 и 10 ток дросселя 22 поступает в обмотки 12 и 13, При определенных соотношениях индуктивности дросселя 22 и конденсаторов 9 и 10 в нагрузке можно получить синусоидгльный ток,В ряде случаев необходимо форсированное накопление энергии в индуктивности нагрузки, т.е, накопление энергии эа малый промежуток времени по отношению к периоду. При выполнении преобразователя с обратным включением диода 18 (фиг. 2) выпрямителя при параллельном соединении вторичных обмоток трансформаторов фиг. 4) удается значительно быстрее зарядить конденсатор 19 фильтра до требуемого уровня напряжения. Б этом случае при меньшем коэффициенте заполнения импульсов в первичной цепи наблюдается большой коэффициент заполнения импульсов тока во вторичной цепи, а следовательно, меньший коэффициент пульсаций, что важно для систем вторичного электропитания,При работе преобразователя на индуктивную нагрузку 8 для быстрой смены полярности протекающего тока нагрузки предпочтительнее использовать трансформаторный узел, выполненный по схеме на фиг. 4, так как в момент т 1 к нагрузке приложено напряжение, в раз большее, чем в обычном трансформаторе, и, следовательно, примерно в 1 раз быстрее изменяется полярность выходного тока,Большую часть периода транзисторный ключ закрыт и, следовательно, можно использовать его импульсные характеристики по току без ухудшения тепловых режимов,Поинцип работы схемы остается прежним за исключением того, что первичная цепь выполняется многокаскадной (фиг. 4), а заряд конденсаторов осуществляется до меньшего напряжения.Раздельное выполнение трансформаторов позволяет уменьшить паразитные па; раметры обмоток, что уменьшает высокочастотные колебания е момент 11,;когда открывае;ся ключ 5, Двухобмоточныетрансформаторы более технологичны в производстве, что важно при многоканальном5 выходе.Число обмоток М определяется числомтрансформаторов, а их число определяетсяиз," ловия необходимого коэффициентатрансформации при параллельном соедиче 10 нии вторичных обмоток,Пои единичном коэффициенте трансформации получается максимальный коэффициент связи между обмотками. Изменяяисло трансформаторов, можно получить15 различные уровни напряжений на нагрузке.Б некоторых случаях число трансформато; ов определяет число нагрузок, Таким образом, при однотипном трансформатореможно получить ряд преобразовательных20 устройств с различными уровнями выходных параметров, что повышает технологичность и унификацию при массовомпроизводстве.Таким образом, предложенное устрой 25 ство позволяет исключить динамическиепотери практически полностью, по повышает надежность, уменьшает уровень генерируемых высокочастотных помех ипозволяет в несколько раз увеличить,асто 30 ту преобразования на применяемой в прототипе элементной базе, Значительносокращается вероятность вторичного пробоя биполярных транзисторных ключей.Транзисторные ключи позволяют увеличить35 ток. что повышает выходную мсщность,Преобразователь обладает большим диапазоном регулирования без динамических потерь с помощью широтной модуляции,Предложенный преобразователь рабо 40 тает в моменты коммутации как резонансный, а оставшуюся часть периода - какобычный инвертор напряжения. Тоансформаторный узел 1 можно включать параллельно ключевым элементам фиг. 3) и в45 известных схемах преобразователей, чтотакже уменьшает динамические потери, которые в данном случае поевращаются в полезную энергию, что повышает КПД икоэффициент использования ключевых эле 50 ментов. Формула изобретения Однотактный преобразователь напряжения, содержащий трансформаторный 55 узел, входная цепь которого подключена квыходу ключевого коммутатора, вход которого соединен с входными выводами преобразователя, а выходная цепь - с выходными выводами, с т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения КПД и снижения уровня.2 Составитель С, КоняхинРедактор Л. Пчолинская Техред М.Моргентал Корректор В, Гирня Заказ 3896 Тираж 498 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5зводсюенно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Га арина, 10 генерируемых радиопомех, в трансформаторный узел введены 2(М) конденсаторов и (к) диодов, а его входная цепь образована к первичными обмотками, выполйенными на одном или нескольких трансформаторах и соединенными через указанные диоды последовательно-,согласно между собой, к началу первой первичной обмотки через (1-1) конденсаторов подклюцены начала (Е) первичных обмоток, а к 5 концу последней также через(К) конденсаторов - концы (К) первичных обмоток,