Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения

Союз Советских Социалистических Реслублин(22) Заявлено 180179 (2 ) 2714702/24-07с присоединением заявки Мо(51) М. Кл.з Н 02 М 3/3356 05 Г 1/64 Государственный комитет СССР ио делам изобретений и открытий(72) Авторы изобретения В.И. Костылев и А.Н, Пискарев Чувашский государственный университет им. И,Н. Ульянова(71) Заявитель 154) СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯИзобретение относится к электро= технике и может быть использовано во вторичных источниках электропитания. Особенно целесообразно применение его в тех случаях, когда от источника требуются высокие качественные показатели по выходному постоянному напряжению, имеющему или очень малую, или очень большую величину по сравнению с напрях;ением питания.Известен стабилизированный преобразователь постоянного напряжения, содержащий импульсный регулятор напряжения, 1.С фильтр, дроссель которого имеет основную и дополнительную обмотки, намотанные бифилярно. Одноименные. выводы обеих обмоток соединены вместе и подключены к выходу преобразователя. Блок управления соединен с выходом через. дополнительную обмотку дросселя. Использование дополнительной обмотки дросселя в цепи обратной связи позволяет достичь устойчивой работы преобразователя при параметрах фильтра, обеспечивающих высокие качественные показатели устройства в целом 11(.Недостатком этого преобразователя напряжения, ограничивающим его об- г ласть применения, является наличиегальванической связи по силовой цепимежду входом и выходом и невысокиемассо-габаритные показатели. Известен также стабилизированный преобразователь постоянного напряжения, содержащий входной фильтр, ключевые блоки импульсного регулятора и инвертора с трансформатором, выходной выпрямитель, 1.С фильтры на выходе импульсного регулятора и указанного выпрямителя, блок управления, включенный ме:хду ключевым блоком импульсного регулятора и выходом преобразователя. В этом преобразователе гальваническая развязка по силовой цепи обеспечивается трансформатором инвертора 2).Однако известный преобразователь постоянного напряжения содержит два последовательно включенных С фильтра, поэтому он имеет низкую устойчивость. Часто для получения устойчивой работы используется подача на блок управления напряжения обратной связи с выхода фильтра импульсного регулятора. Но при таком регулирова" нии снижается точность стабилизацииНаиболее близок к предлагаемомустабилизированный преобразовательпостоянного напряжения, содержащийцепочку устойчивости, включающую всебя дополнительную обмотку дросселясглаживающего Фильтра выходного выпрямителя, намотанную бифилярно сосновной и подключенную к ней черезконденсатор и резистор, соединяющийвход блока управления с выходом преобразователя. При этом из контурарегулирования по переменной составляющей исключается один сглаживающийФильтр и для определенных параметровфильтра импульсного регулятора и тока нагрузки удается достичь устойчи-вой работы преобразователя (3, 15Однако наличие у трансформатораинвертора параэитных параметров,особенно. индуктивности рассеяниямежду первичной и выходной обмотками,достигающей наибольшего значения при 2 Оочень малых и очень больших коэффициентах трансформации, приводит к дополнительному Фаэовому сдвигу и затрудняет коррекцию. Поэтому преобразователь остается критичным к изменению,тока нагрузки и выбору параметров сглаживающих Фильтров и склонен с самовоэбуждению.Цель изобретения - повышение у тойчивой работы преобразователя независимо от параметров сгла:кивающих фильтров и трансформатора инвертора.укаэанная цель достигается тем,что в стабилизированном преобразователе постоянного напряжения, содержащем ключевые блоки регулятора сФильтром и иквертора с выходным трансФорматором, силовой выпрямитель с выходным С Фильтром, дроссель которогоимеет дополнительную обмотку, магнитно связанную с основной, блок управ Оленин, включенный между ключевым блоком импульсного регулятора и выходомпреобразователя и связанный по входус выходом преобразователя с помощьюцепочки устойчивости, содержащей указанную дополнительную обмотку, разделительный конденсатор и резистор,трансформатор инвертора,снабжен дополнительными обмотками, одна из которых.магнитно связана с первичной,а другая - со вторичной. Выводы этихобмоток подсоединены ко входам введенных выпрямителей, нагруженных набалластные резисторы, причем выходывыпрямителей включены последовательно и встречно и через разделитель- Иный конденсатор, соединены с выводами резистора цепочки для повышенияустойчивости. Первый вывод дополнительного резистора подключен ко второму выводу дополнительной обмотки ддросселя выходного Фильтра, а второй - через дополнительную обмоткудросселя Фильтра регулятора, магнитно связанную с основной, ко входублока управления, б 5 Предлагаемое подключение блока управления к выходу преобразователя позволяет осуществить регулирование по постоянной составляющей - непосредственно по выходному напряжению, а по переменной - по напряжению со входа Фильтра регулятора. Благодаря исключению из контура регулирования по переменной составляющей колебательных звеньев двух сглаживающих Фильтров и паразитных параметров трансформатора, преобразователь остается устойчив при изменениях тока нагрузки и параметров фильтров в широких пределах.На Фиг. 1 изображена упрощенная схема преобразователя постоянного напряжения; на фиг, 2 - временные диаграммы напряжений.Напряжение от источника 1 питания подается на ключевой блок 2 импульсного регулятора. Сглаживающий фильтр импульсного регулятора содержит дроссель 3 с основной 4 и дополнительной 5 обмотками и конденсатор б, К выходу этого Фильтра подключен блок 7 инвертора с выходным трансформатором 8, Первичная обмотка 9 трансформатора магнитно связана с дополнительной 10, а вторичня 11 с дополнительной 12, Трансформатор соединен с силовым выпрямителем 13, выход которого подключен к С сглаживающему фильтру, Дроссель 14 этого Фильтра имеет основную обмотку 15 и магнитно связанную с ней дополнительную обмотку 1 б, а конденсатор 17 подключен к выходным выводам 18 и 19 преобразователя. Дополнительные обмотки 10 и 12 трансформатора В подключены к выпрямителям соответственно на диодах 20-23 и 24-27, нагруженным на балластные резисторы 28 и 29. Последовательно и встречно включенные выходы выпрямителей через разделительный конденсатор 30 соединены с резистором 31. Выход блока 32 управления соединен с ключевым блоком импульсного регулятора 2 и управляет работой его трапзисторов. Вход блока управления через обмотку 5, резистор 31 и обмотку 1 б подключен к выходному выводу 18 преобразователя.Принцип работы преобразователя постоянного напрякения иллюстрируется временными диаграммами, приведенными ка Фиг. 2.После подкпочения преобразователя постоянного напряжения к источнику 1 питания транзисторы ключевого блока.2 импульсного регулятора работают с частотой и скважностью, задаваемыми блоком 32 управления. Импульсы напряжения с его выхода О (фиг. 2) поступают на вход сглаживающего фильтра на дросселе 3 и конденсаторе б. Сглакенное и отфильтрованное напряжение, равное средней величине О 4, превращается инвертором 7 в переменное прямо 788301угольное напряжение О, которое и подается на первичную обмотку 9 трансформатора 8.Обычно работа импульсного регулятора и инвертора синхронизированы. На фиг. 2 рабочие частоты инвертораи импульсного регулятора выбраны равными, но соотношение между ними может быть любым, так как это принципиального значения не имеет.форма напряжения на выходной обмотке трансформатора 8 зависит от соотношения его паразитных параметров. Если коэффициент затухания больше единицы, то она имеет экспоненциальный характер. На фиг. 2 в качестве примера выбран именно такой случай, причем напряжение О на выходной обмотке аппроксимированно прямым. Получающееся после выпрямления напряжение О, подается на сглаживающий Фильтр, который отфильтровывает переменную составляющую так, что на выходе преобразователя получается постоянное напряжение ОВь,к.Для повышения устойчивости в известном преобразователе использует- ся дополнительная обмотка 16 дросселя 14, намотанная бифилярно с основной и включенная с ней встречно.Поэтому напряжение О. с выхода обмотки 16 повторяет форму напряжения О 4, на входе выходного Фильтра и отличается от него на величину падения напряжения на активном сопротивлении основной обмотки 15. Из сопоставления диаграмм напряжения О 4 и напря:кения О на первичной обмотке трансФорматора видно, что О+ отстает по фазе от О. Этот Фазовый сдвиг, обусловленный индуктивностью рассеяния между первичной и выходной обмотками, может быть причиной неустойчивой работы преобразователя. Для его устранения в предлагаемом преоб-,. разователе используются две дополнитепьные обмотки трансформатора и два выпрямителя с несколькими вспомогательными элементами.Дополнительная обмотка 10 трансФорматора 8 магнитно связана с первичной 9 путем их бифилярной намотки, поэтому напряжение на ней совпадает по форме с напряжением О 2 на первичной обмотке. Форма напряжения О на выходе выпрямителя, подключенного к дополнительной обмотке 10, показана на Фиг. 2.До этой же причине напряжение на обмотке 12 по Форме совпадает с напряжением О , а на выходе выпрямителя, соединенного с ней, действует напряжение О 1. Суммарное напряжение О 8 на двух встречно включенных выпрямителях представляет собой однополярные импульсы, возникающие в моменты провала напряжения на входе выходного фильтра. Эти импульсы можно рассматривать как выпрямленное напряжение на индуктивности рассеяния трансформатора.После отделения с помощью разделительного конденсатора 30 постояннойсоставляющей напряжения Ой на дополнительном резисторе 31 действует напряжение О 9, которое, складываясь снапряжением О , создает напряжениеОо, совпадающее по фазе с выходнымнапряжением инвертора. Таким образом,устраняется Фазовый сдвиг, обуслов 10 ленный паразитными параметрами трансформатора и выходным Фильтром.Для исключения Фазового сдвига,вносимого фильтром импульсного регулятора, используется дополнительная15 обмотка 5 дросселя 3, Напряжение наней О повторяет напряжение на основной обмотке 4 с точностью до величины падения напряжения на омическомсопротивлении обмотки 4. В результа 20 те на входе блока 32 управления действует напряжение обратной связи О,равное сумме напряжений Ор и О 1которое, как это видно из временныхдиаграмм, находится в фазе с напряжением О, поступающим с блока 2.Исключение практически полностьюсдвига фаз, обусловленного инерционностью всех звеньев преобразователя,нарушает условие возникновения автоколебаний и схема в опасной зоне час 30 тот приобретает устойчивость. Приэтом блок управления по постояннойсоставляющей осуществляет регулирование непосредственно по выходномунапряжению преобразователя,35 Часто первичная обмотка 9 трансформатора 8 подключается к выходуинвертора 7 через разделительный конденсатор, исключающий подмагничивание сердечника. Такое соединение имеет место и в схемах полумостовых инверторов. Может оказаться, что Фазовый сдвиг, вносимый разделительнымконденсатором, значительно больше фазового сдвига, вносимогопаразитнымипараметрами трансформатора. Схема45 преобразователя может быть упрощеназа счет исключения дополнительной обмотки 12, резистора 29 и выпрямителяна диодах 24-27.Такое упрощение схемы целесообраз 50 но и в том случае, когда емкость конденсатора 6 сглаживающего фильтраимпульсного регулятора достаточно велика и переменная составляющая напряжения на нем, а также на выходе вы 55 прямителя на диодах 20-23 отсутствует.В большинстве случаев трансформатор 8 инвертора имеет коэффициенттрансформации иЯ. /Ч отличный отединицы. При таком условии числа вит ков допоЛнительных обмоток электромагнитных элементов целесообразно выбирать следующим образом:6 -. ,о:,:.Если напряжение обратной связи, сцелью уменьшения его величины, снимается с делителя выходного напряжения то число витков всех дополнительных обмоток должно быть уменьшено во столько же раз.Отрицательная полуволна напряжения обратной связи 01, которая появляется иэ-за падения напряжения на активных сопротивлениях электромагнитных элементов, индуктивности рассеяния трансформатора, транзисторах и диодах преобразователя, может явиться препятствием для использования широтно-импульсной модуляции на основе частотно-Фазового принципа, реализуемого двумя генераторами. Сдвиг фаз между ними регулируется в зависимости от уровня выходного напряжения путем управления с помощью напряжения обратной связи частотой ведомого генератора при стабильной частоте опорного генератора. Полностью устранить отрицательную полу- волну, не изменяя среднего значения напряжения обратной связи, можно уменьшением числа витков дополнительной обмотки 5 дросселя 3.Дополнительные обмотки дросселей и трансформатора не являются силовыми и могут быть намотаны тонким проводом, поэтому они практически не изменяют их массо-габаритных показателей. Наилучшие результаты достигаются при бифилярной намотке дополнительной с соответствующей силовой обмоткой. Однако технология намотки может быть упрощена. Так, при намотке дополнительных обмоток трансформатора одну из них можно намотать непосредственно, на сердечник, а вторую - .поверх всех остальных.Структурная схема предлагаемого преобразователя имеет шестой порядок, если считать трансформатор звеном второго порядка. Поэтому добиться устойчивой работы преобразователя известными средствами, при условии регулирования непосредственно по выходному напряжению, весьма затруднительно и связано с проведением трудоемких расчетов корректирующих звеньев и последующей их сложной отладкой.Предлагаемый преобразователь лишен этих недостатков, поскольку порядок системы понижается посредством дополнительных обмоток, соединенных определенным образом. Поставив на вход блока управления интегрирующую цепочку для сглаживания импульсного напря" жения обратной связи, можно получить систему регулирования первого порядка. Так как фильтры и паразитные параметры трансформатора оказываются выведенными за контур регулирования,15 20 25 30 35 40 45 50 5 то параметры их можно выбирать любыми, добиваясь, например, требуемогосглаживания выходного напряжения.Большой запас по устойчивости преобразователя позволяет применение частотно-фазового принципа управления,превращающего преобразователь в астатическую систему. Схема соединенияблока управления с выходом преобразователя, несмотря на введение дополнительных обмоток и выпрямителей,упрощается, поскольку не требуетсясложных корректирующих звеньев. Формула изобретенияСтабилизированный преобразовательпостоянного напряжения, содержащийинвертор, выходной трансформатор, выпрямитель, выходной С фильтр, ключевой регулятор напрякения с входнымС фильтром и с блоком управления,первый входной вывод которого соединен с первым выходным выводом преобразователя, и цепочку для обеспечения устойчивости системы регулирования, в которую входят дополнительнаяобмотка дросселя выходного С фильтра, магнитно связанная с основнойобмоткой, разделительный конденсатори резистор, о т л и ч а ю щ и й с ятем,что, с целью повышения устойчивости работы, укаэанный трансформатор снабжен двумя дополнительными обмотками, одна из которых магнитносвязана с его первичной обмоткой, адругая - со вторичной, дроссель входного С фильтра снабжен дополнительной обмоткой, магнитно связанной сосновной, введены два выпрямителя,подключенные входом к соответствующимдополнительным обмоткам трансформатора, нагруженные на балластные резисторы и соединенные между собой по выходу встречно через последовательносоединенные разделительный конденсатор и резистор цепочки для обеспечения устойчивости, который через согласно-последовательно соединенныедополнительные обмотки дросселейвходного и выходного СС фильтроввключен между вторым входным выводомблока управления и вторым выходнымвыводом преобразователя.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Патент Англии Р 1034206,кл. Н 2 Г, 1966.2. Моин В.С., Лаптев Н.Н. Стабилизированные транзисторные преобразователи. "Энергия", 1972, с. 418,рис. 11-1.3. Авторское свидетельство СССР386388, кл. 6 05 Г 1/20, 1970./66 Тираж 783 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 13035, Москва, Е, Раушская наб., д. 4/5