Система стабильного электропитания

(51)4 С 05 Р ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН 7 орско-технолопри Тольяттин институте льство СССР/56, 1979,57) Изобретение отн ехнике и может быть олупроводниковых ста ульсного действия, р тросится к элеспользованоилизаторахботающих пр поГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГННТ СССР К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 1(71) Особое конструктгическое бюро "Парсекском политехническом(54) СИСТЕМА СТАБИЛЬНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ вышенных питающих напряжениях. Цельизобретения - повышение эксплуатационной надежности, Цель достигаетсяблагодаря введению цепей формированиябезопасной траектории переключениярегулирующего элемента (РЭ) 10. Этицепи включают демпфирующий 22 и коммутирующий 23 диоды, резисторы 24, атакже дополнительный двухобмоточныйдроссель 25, вторичная обмотка которого шунтирована последовательносоединенными диодом 27 и резистором 28Дроссель 25 и демпфирующая.цепь 30обеспечивают индуктивную реакциюпри включении и емкостную при выключении РЭ 10, что значительно уменьшает потери на нем, повышает устойчивость к вторичному пробою, за счетчего и повышается эксплуатационная надежность, 1 з.п, ф-лы, 1 ил.3 151342Изобретение относится к электротехнике и может быть использованов полупроводниковых стабилизаторахимпульсного действия, работающих приповышенных питающих напряжениях,Цель изобретения - повышение эксплуатационной надежности,На чертеже показана Функциональнаясхема системы стабильйого электропитания с цепями Формирования безопасной траектории переключения регулирующего транзистора.Система содержит импульсный ста билизатор 1 напряжения, преобразователь 2 постоянного напряжения в пе ременное, являющийся нагрузкой длястабилизатора 1 напряжения, Преобразователь 2 состоит из силового трансФорматора 3 с первичной 4 и вторичной 5 обмотками, причем последняя под ключена к нагрузке 6, транзисторов 7и 8, включенных по полумостовой схеме и базами соединенных с выходамиузла 9 управления. Импульсный стабилизатор 1 состоит из регулирующего1 элемента 10, широтно-импульсного моду лятора 11, усилителя 12 постоянноготока, блока 13 сравнения, силовогофильтра 14, включающего блокирующий 30диод 15, коммутирующий диод 16, конденсаторы 17 и 18, силовой дроссель19 с первичной 20 и вторичной 21 обмотками, находящимися на внутреннемкерне силового дросселя 19 силовогофильтра 14, и цепей формирования безопасной траектории переключения регулирующего транзистора 10, состоящих из последовательно соединенныхдемпфирующего 22 и коммутирующего 23диодов, включенных встречно, и резистора 24, шунтирующего коммутирующийдиод 23, а также дополнительного двухобмоточного дросселя 25, находящегосяна внешнем керне силового дросселя 19,45вторичная обмотка 26 которого шунтирована сбросовой цепью из диода 27и резистора 28, соединенных последовательно,Одна шина первичного источникапитания соединяется через первичнуюобмотку 29 дополнительного двухобмоточного дросселя 25 с регулирующим.элементом 10, второй силовой выводкоторого имеет общую точку соединенияс конденсатором 17 силового Фильтра 14и преобразователем 2, Другая шинаисточника питания подключена к преобразователю 2 через первичную обмот 9 4ку 20 дросселя 19, причем блокирующийдиод 15 одним электродом через параллельные цепочки из вторичной обмотки 26 дополнительного двухобмоточного дросселя 25 с числом витков, равным числу витков первичной обмотки 29,и последовательно соединенных диода 27 и резистора 28 также соединен сэтой шиной источника питания, а вторым электродом - с выходом емкостного делителя, Вторичная обмотка 21силового дросселя 19, число витковкоторой выбирается в данном случаеравным количеству витков первичнойобмотки 20, через коммутирующийдиод 16 подключена параллельно конденсатору 17, который вместе с конденсатором 18 выполняет Функции фильтрации в силовом фильтре 14 и используется для создания емкостногоделителя напряжения полумостовойсхемы преобразователя 2,Демпфирующая цепь 30 из демпфирующего 22 и коммутирующего 23 диодови резистора 24 подключена параллельно цепи, состоящей из последовательно включенных регулирующего элемента 10 и вторичной обмотки 21 силовогодросселя 19 силового фильтра 14,Транзисторы 7 и 8 преобразователя 2подключены последовательно между собой и параллельно емкостному делителю и образуют полумостовой преобразователь, в диагональ которого включена первичная обмотка 4 силового трансФорматора 3, Блок 13 сравнения,содержащий источник опорного напряжения,подключен к входу преобразователя 2,выход блока 13 сравнения подключенчерез усилитель 12 к входу широтноимпульсного модулятора (ИИМ) 11, выход которого подключен к управляющемувходу регулирующего транзистора 10.Система работает следующим образом.Блок 13 сравнения в.зависимости отвозмущающего воздействия (изменениявыходного напряжения стабилизатора 1,сопротивления гальванически развязанной нагрузки 6, параметров элементовстабилизатора 1 и преобразователя 2)изменяет через усилитель 12 коэффициент заполнения ШИМ 11 таким образом,чтобы сохранить напряжение на преобразователе 2 прежним (до возмущающего воздействия), т,е, установленнойвеличины (пренебрегаем статическойошибкой).При квазиустановившемся режимерегулирующий элемент 10 переключаетсяс постоянным коэффициентом заполнения, но при отсутствии цепей формирования безопасной траектории перекюпо 5чения регулирующего элемента 10, т.е,без диодов 22, 23, 27, резисторов 24,28 и обмоток 26, 29 дополнительногодвухобмоточного дросселя 25. 10При замкнутом состоянии регулирующего элемента 10 энергия от первичного источника питания поступает черезрегулирующий элемент 10 и первичнуюобмотку 20 силового дросселя 19 в пре"15образователь 2, При этом в интервалеоткрытого состояния регулирующегоэлемента 10 ток в первичной обмотке 20 увеличивается от минимальногозначения (меньше среднего значения 20тока нагрузки), При токе в первичнойобмотке 20 меньше среднего напряжение на конденсаторах 17 и 18 уменьшается, а при токе в первичной обмотке 20 больше среднего напряжение на 25конденсаторах 17 и 18 увеличивается.Номинальные значения напряжений конденсаторов 17 и 18 не превышают заданной величины,Напряжение на первичной 20 и вторичной 21 обмотках силового дросселя 19 при открытом состоянии регулирующего элемента 10, по величинеравные друг другу, определяются разностью напряжения первичного источника Б и выходного напряжения стаПбилизатора 1 П , Соответственно,Выхнапряжения, приложенные к закрытымблокирующему 15 и коммутирующему 16диодам, также равны, и по величине 4 Оопределяются суммой половины напряжения на входе преобразователя 2и напряжения на первичной обмотке 20(вторичной 21) силового дросселя 19.При выключенном состоянии регУлирУющего элемента 10 напряжение на обмотках 20 и 21 силового дросселя 19сменяет полярность на противоположную и накопленная энергия в силовомдросселе 19 отдается в преобразователь 2 через обмотки 20 и.21 и открытые блокирующий 15 и коммутирующий 16 диоды. Так как число витковобмоток 20 и 21 силового дросселя19 равно, то энергия, отдаваемая ими,равна, равны и напряжения на конденсаторах 17 и 18. При этом напряжение, приложенное к закрытому регулирующему элементу 10, определяется разностью первичного источника питания и половины напряжения на входепреобразователя 2,При увеличении количества вторичных обмоток силового дросселя 19 напряжение, прикладываемое к закрытымсиловым коммутирующим элементам,уменьшается. При этом преобразователь 2 может подключаться непосредственно к выводам для подключениянагрузки стабилизатора 1, На этапе включения регулирующего элемента 10, когда происходит рассасываниенеосновных носителей в области базыблокирующего диода 15, ток в коллекторной цепи регулирующего элемента 10 начинает нарастать при одновременном убывании в цепи блокирующегодиода 15. Регулирующий элемент 10на этом этапе работает в режиме сверхтоков под действием приложенного к нему напряжения, равного разностиБ- Бщ/2, которое при повышенномнапряжении источника питания достигает значительной величины,1Ток коллекторной цепи регулирующего транзистора 1 О, в частном случае когдас и ь )может достигнуть очень больших величин, стремясь к значению 1В , где время жизни избыточных носителей вобласти базы диода;- постояннаявремени транзистора;- постояннаявремени нарастания базового тока транзистора; 1 - ток базы насыщения,В , - интегральное значение коэффициента усиления транзистора при включении, В результате этого динамическиепотери при включении могут достигнутьзначительной величины, что вызоветлокальный перегрев р-и переходов регулирующего транзистора 10 и блокирующего диода 15,На этапе выключения регулирующего элемента 10 после рассасывания избыточных носителей заряда в областибазы происходит спад коллекторноготока при одновременном нарастаниинапряжения на регулирующем транзисторе 10, При этом величина динамическихпотерь при выключении всегда превышает потери включения, Кроме того,область безопасной работы более низковольтных и быстродействующих транзисторов уже, чем у высоковольтныхтранзисторов, что может вызвать склон-ность к вторичнс у пробою регулирующе 1513429го элемента 10При коммутации регулирующего элемента 10 возникает высокий уровень помех, наводимых в сеть питания,5Система при наличии цепей формирования безопасной траектории переключения регулирующего элемента 10 рабоает следующим образом.Процесс переключения регулирующего 10 лемента 10 сопровождается довольно ольшими потерями, способными вывести го из строя, а также имеется высокий ровень помех, наводимых в сеть питаия. Поэтому на этапе включения регу ирующего элемента 10 дополнительный вухобмоточный дроссель 25 ограничиает амплитуду коммутационного колекторного тока регулирующего элемена 10 на уровне заданного20ф (Пд - П вых/Э с юс,д к. манеЕдоа "де 1., - индуктивность дополнительного двухобмоточного дрос селя 25; Ср - время рассасывания неоснов-. ных носителей в базе блокирующего диода 15, И снижае г уровень помех, генерируемых 30 в сеть питания, эААективнее, чем дрос,Сель, установленный только в цепи регулирующего элемента 10 или только в цепи блокирующего диода 15,35Кроме того, обеспечивается сдвиг Фронта тока регулирующего элемента 10 относительно фронта напряжения на нем,что значительно уменьшает потери на регулирующем элементе 10 при включе нии, Величина индуктивности дополни-тельного двухобмоточного дросселя 25 в четыре раза больше величины индуктивности обмоток 26 и 29, так как при включении регулирующего элемен та 10 они соединяются согласно последовательно, После восстановления обратного сопротивления блокирующего диода 15 ток проходит только по первичной обмотке 29 с индуктивностью, равной Ь , /4, а вторичная обмотка 26 сбрасывает накопленную за коммутационный период энергию через диод 27 на резистор 28, В остальном процессы в системе при включенном55 состоянии регулирующего элемента 10 аналогичны описанным, за исключением того, что первичная обмотка 29 дополнительного двухобмоточ ого дросселя 25 в какой-то степени компенсирует намагничивание магнитопровода силового дросселя 19 от первичной обмотки 20, так как эти обмотки магнитосвязаны и включены встречно, что повышает эффективное значение индуктивности силового дросселя 19 силовогоФильтра 14,Для сдвига фронтов тока и напряжения при выключении регулирующего элемента 10 используется высокоэффективная демпфирующая цепочка 30 из демпфирующего диода 22, коммутирующегодиода 23 и резистора 24, которая, шунтируя выходную цепь регулирующего элемента 10 на интервале спада коллекторного тока диодом 23, включенным в прямом направляении, позволяет снизитьпотери в регулирующем транзисторе в15-20 раз, что повышает устойчивостьк вторичному пробою в случае, есливремя восстановления обратного сопротивления. диода 22 равно илиВас,абрбольше времени спадатока коллексптора регулирующего элемента 10,В качестве дополнительного источника длянакопления неосновных носителей вбазе дмпфирующего диода 22 используется вторичная обмотка 21 силовогодросселя 19 силового фильтра 14, которая при включенном состоянии регулирующего элемента 10 имеет полярность,прямосмещающую демпфирующий диод 22через резистор 24 и открытый регули-.рующий транзистор 10, и создает ток,равный 0,1 от максимального тока регулирующего транзистора 10. При выключении регулирующего элемента 10на нем увеличивается коллекторноенапряжение и увеличивается, сменивполярность для рекуперации, напряжение на обмотках1 и 20 силовогодросселя 19, включается второй коммутирующий диод 23 и, шунтируя ограничительный резистор 24, устанавливает близкое к нулю напряжение ча регулирующем элементе 10 в течение времени с , диода 22, Если времяавно или больше временитока , то на коллекторе регулирующего транзистора 10 выделится незначительная мощность и его рабочая точкане выйдет из области безопасной работы.После процесса рассасывания неосновных носителей для демпАирующего диода 22, в течение которого через него проходит разностный ток первич 9 15134ного источника и коллектора регулирующего транзистора 10, на нем устанавливается суммарное напряжение ре"гулирующего элемента 10 и конденсатора 17 емкостного делителя. При выклю 5ченном состоянии регулирующего элемента 10 открывается блокирующийдиод 15, пропускающий ток рекуперации через вторичную обмотку 26 дополнительного двухобмоточного дросселя 25 при одновременном сбросе нацепь из резистора 28 и диода 27 энергии, накопленной в обмотке 29 запредыдущую часть периода коммутациирегулирующего элемента 10. Таким образом, дополнительный двухобмоточныйдроссель 25 работает в режиме перейагничивания, что вызывает меньшееизменение его индуктивности. 20Предлагаемая система имеет повышенную эксплуатационную надежностьввиду наличия цепей формирования безопасной траектории переключения регулирующего элемен.а, сравнительное 25небольшое увеличение объема, занимаемое элементами этих цепей из-за совмещения электромагнитных элементов сдросселем силового фильтра стабилизатора. Кроме того, регулирующий элемент имеет повьппенную динамическуюустойчивость к вторичному пробою приплавном запуске стабилизатора, чтоявляется обязательным условием включения полупроводниковых преобразователей, работающих на повьппенных питающих напряжениях,Формула и з о б р е т е н и я1, Система стабильного электропитания, содержащая импульсный стабили Озатор напряжения, состоящий из регулирующего элемента, силового фильтра, включающего два последовательно соединеных конденсатора, образующих емкостной делитель, силовой двухобмоточный дроссель, блокирующий ипервый коммутирующий диоды, причемодин электрод блокирующего диодаподключен к выходу емкостного делителя, который через первый коммутируюОщий диод соединен с одним из выводоввторичной обмотки силового дросселя,первый вывод первичной обмотки которого пЬдключен к первому входномувыводу емкостного делителя входом 55соединеннрго с входом блока сравнения,выход которого через последовательносоединенные усилитель постоянного тока и широтно-импульсный модулятор 29 10соединен с управляющим входом регули-рующего элемента, и преобразовательпостоянного напряжения в переменное,состоящий из двух последовательно соединенных транзисторов, подключенньмпараллельно укаэанному емкостномуделителю и образующих вместе с нимполумостовой преобразователь, в диагональ которого включена первичнаяобмотка силового трансформатора, вторичной обмоткой соединенного с выходными выводами, и узла управления,вы-.ходы которого подключены к управляющим входам указанных транзисторов,о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, сцелью повьппения эксплуатационнойнадежности, в импульсный стабилизатор напряжения введены дополнительный двухобмоточный дроссель и демпфирующая цепь из последовательносоединенных демпфирующего и второгокоммутирующего диодов, включенныхвстречно, и первого резистора, шунтирующего второй коьиутирующий диод,причем первичная обмотка дополнительного дросселя включена ме;кду первым входным выводом и первым силовымвыводом регулирующего элемента, авторичная обмотка - между вторымвходным выводом и другим электродомблокирующего диода и зашунтированавведенной сбросовой цепью, состоящейиз последовательно соединенных диодаи второго резистора, при этом диодвключен в том же направлении, чтои блокирующий диод, а обмотки дополнительного дросселя включены согласно, указанная демпфирующая цепь включена между точкой соединения регулирующего транзистора с первичной обмоткой дополнительного дросселя и точкой соединения первого коммутирующего диода с вторичной обмоткой силового дросселя, другой вывод которойподключен к точке соединения второго силового вывода регулирующего элемента с вторым входным выводом емкостного делителя, второй вывод первичной обмотки силового дросселя соединен с вторым входным выводом,2, Система по п,1, о т л и ч ающ а я с я тем, что, с целью уменьшения габаритов электромагнитных элементов, обмотки дополнительного дросселя намотаны на внешнем керне силового дросселя, причем соответствующиеобмотки обоих дросселей включенывстречно.