Преобразователь постоянного напряжения

(54) ПРЕОБР НАПРЯЖЕНИ (57) Изобрете ке и может бь вторичного эл рение обдаст ля путем переключени образователь 1, силовой тр тор тока 2, вк 12 транзисто При отпиран АЗОВАТЕЛ Яние относит ть иСПОльЗО ектропитан и примененуменьш Я Силового содержит с ансформат лючдющий 1 ры и истоц ии включаю ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМРИ ГКНТ СССР ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(56) Заявка Великобритании М 2028549, кл.Н 02 М 3/335, 05.05.80.Патент США М 4164667кл, Н 02 М 3/335, 14.04,79,Патент США М 4710859,кл. Н 02 М 3/335, 01.12.87. ся к электротехнивано в источниках ия. Цель - расшиия преобразоватеения времени транзистора, Преиловой транзистор ор 6, трансформа и выключающий ник смещения 15, щего транзистора1721750 11 коротким импульсом происходит быстрое включение силового транзистора 1, открытое состояние которого поддерживается за счет обмотки 3 положительной обратной связи трансформатора тока 2. При отпираИзобретение относится к технике средств вторичного электропитания радиоэлектронных устройств, а именно к высокочастотным преобразователям напряжения, и предназначено для использования в источниках электропитания (ИВЭ) аппаратуры связи.Известен стабилизированный преобразователь напряжения, содержащий силовой транзистор, силовой трансформатор, устройство обратной связи, включающее в себя узел гальванической развязки, Особенностью этого преобразователя является реализация релейного (двухпозиционного) принципа регулирования, причем силовой транзистор включается импульсом управления и удерживается в открытом состоянии обмоткой силового трансформатора.К недостаткам этого устройства можно отнести значительный разброс базового тока транзистора от питающего напряжения, Таким образом, имеются значительные потери в цепи управления силовым транзистором, что приводит к снижению КПД всего преобразователя. Кроме того, избыточный базовый ток вызывает увеличение времени рассасывания неосновных носителей в базе силового транзистора, что приводит к ограничению функциональных возможностей всего устройства, т,е. области его применения для высоких частот преобразования.Известен преобразователь напряжения, который содержит силовой транзистор, силовой трансформатор, трансформатор тока и два управляющих транзистора, связанных с трансформатором тока и обмоткой силового трансформатора,Данный преобразователь имеет следующие недостатки. Трансформатор тока работает в линейном режиме перемагничивания, поэтому данная схема работоспособна только в режиме с ШИМ. Для преобразователей с ЧИМ или с релейным принципом регулирования необходимо рассчитывать трансформатор тока на самую низкую частоту, что приводит к увеличению габарита трансформатора тока и увеличению потерь мощности в нем. В момент формирования фронта выключения силового транзистора к его переходу база-эмиттер нии коротким импульсом выключающего транзистора 12 происходит форсированное эапирание силового транзистора 1 через малое внутреннее сопротивление источника смещения 15. 1 з,п.ф-лы, 2 ил. прикладывается маломощный источник обратного напряжения, поскольку напряжение на запирающей обмотке силовоготрансформатора уже отсутствует. Это при 5 водит к увеличению длительности фронтавыключения, возрастанию динамическихпотерь при выключении силового транзистора и, в итоге, ограничивает диапазон рабочих частот преобразователя,10 Наиболее близким к предлагаемому потехнической сущности является преобразователь напряжения, который содержит силовой транзистор, силовой трансформатор,трансформатор тока, включающий и выклю 15 чащий транзисторы. Короткий отпирающийимпульс поступает из устройства управления непосредственно на базу силовоготранзистора, после отпирания которогодальнейшее питание базовой цепи происхо 20 дит от базовой обмотки трансформатора тока. Последовательно с базовой обмоткойтрансформатора тока включен диод, исключающий шунтирование отпирающего импульса низким сопротивлением базовой25 обмотки трансформатора тока. При этом базовый ток заряжает конденсатор устройствасмещения. По окончании времени открытого состояния силового транзистора устройство управления формирует запирающий30 импульс, поступающий на входзапирающего транзистора, который отпирается и подсоединяет конденсатор устройствасмещения к переходу база-эмиттер силового транзистора в обратной полярности, Про 35 исходит запирание силового транзистора идо поступления очередного отпирающегоимпульса на база-эмиттерном переходе силового транзистора поддерживается запирающее смещение, поскольку резистор,40 включенный между базой и эмиттером силового транзистора, .достаточно высокоомный, и конденсатор устройства смещения неразряжается до нуля, После поступленияочередного отпирающего импульса процесс45 повторяется.Данное устройство имеет следующиенедостатки. Энергия, накопленная в конденсаторе устройства смещения, зависит отскважности работы силового транзистора,50 что не позволяет эффективно запирать силовой транзистор при работе в режимебольшой скважности, например в режиме перегрузки по току и короткого замыкания на выходе, когда необходимо время открытого состояния силового ключа иметь минимальным и быстро его выключать при большой скважности его работы. Это существенно сужает область применения данного преобразователя особенно на повышенных частотах в устройствах с ШИМ, Кроме того, при работе в режиме большой скважности возникают проблемы с поддержанием запирающего смещения на базе силового транзистора во время его закрытого состояния, поскольку время разряда конденсатора устройства смещения существенно возрастает, а накопленная энергия уменьшается. Это также сужает возможность использования данного преобразователя в системах с ЧИМ и с релейным принципом регулирования,Отпирание силового транзистора импульсом, поступающим на его базу непосредственно с устройства управления, также является недостатком данного преобразователя, поскольку при работе в режиме непрерывного тока силового дросселя при необходимости иметь длительность фронта отпирания минимальной, мощность отпирающего импульса должна быть достаточно большой, что приводит к умощнению и усложнению устройства управления и является препятствием для применения данного устройства в указанных режимах. Недостатком данного преобразователя является и то,что последовательно с базовой обмоткой трансформатора тока необходимо устанавливать диод для развязки включающего импульса от базовой обмотки, а конденсатор устройства смещения необходимо заряжать до достаточно высокого напряжения, что существенно снижает эффективность применения пропорционально-токового управления силовым ключом в части КПД, увеличивает мощность и размеры трансформатора тока и всего устройства.Цель изобретения - расширение области применения за счет уменьшения времени переключения силового транзистора.Поставленная цель достигается тем, что включение силового транзистора производится узкими импульсами,. поступающими на базу включающего транзистора, в коллектор которого включена обмотка трансформатора тока, а также тем, что на этапе рассасывания заряда в области базы силового транзистора к его эмиттер-базовому переходу прикладывается запирающее напряжение от обмотки силового трансформатора, а на этапе формирования фронта запирания, когда падает напряжение на об 5 10 20 мотках силового трансформатора, к переходу эмиттер-база прикладывается напряжение конденсатора параллельной цепи. Это обеспечивает уменьшение времени включения и выключения,В преобразователь постоянного напряжения, содержащий силовой транзистор, эмиттер которого подсоединен к первому входному выводу, коллектор соединен через первичные обмотки трансформатора тока исилового трансформатора с вторым входным выводом, а база подключена к первому выводу источника смещения, базовую обмотку трансформатора тока, первый вывод которой присоединен к первому выводупервого диода, включающий и выключающий транзисторы, базы которых подключены к выходам управления, а эмиттер выключающего транзистора подключен к первому входному выводу, введены второй и третий диоды, включающая обмотка трансформатора тока и дополнительная обмотка силового трансформатора, включенная между базой силового транзистора и 25 первым выводом второго диода, второй вывод которого подключен к коллектору выключающего транзистора и к второму выводу первого диода, при этом включающая обмотка трансформатора тока включена че рез третий диод между вторым входным выводом и коллектором включающего транзистора, эмиттер которого подключен к первому входному выводу, а базовая обмотка трансформатора тока включена между 35 вторым выводом источника смещения и первым входным выводом,Введение запирающей обмотки в силовом трансформаторе и подключение ее через диод к коллектору запирающего 40 транзистора позволяет форсированно рассасывать заряд неосновных носителей в области базы силового транзистора в процессе его выключения. Введение параллельного соединения конденсатора и диод но-резисторной цепи, включеннойпоследовательно в цепь базового тока силового транзистора одновременно с диодом, подключенным к коллектору выключающего транзистора, позволяет приложить обрат ное напряжение к база-эмиттерному переходу силового транзистора во время формирования запирающего фронта, таким образом сокращается как время рассасывания, так и длительность фронта в процессе 55 выключения, Это дает возможность надежно и быстро выключать силовой транзистор независимо от скважности его работы, что расширяет область применения преобразователя, так как позволяет его использовать как в устройствах в ШИМ с широким диапазоном изменения скважности, так и в устройстве с ЧИМ, а также в устройствах с релейным принципом регулирования на повышенных частотах преобразования,Введение включающей обмотки в трансформатор тока, соединенной через диод с включающим транзистором, позволяет сделать отпирающий импульс достаточно мощным и уменьшить длительность фронта отпирания силового транзистора, что позволяет использовать данный преобразователь как с прямым, так и с обратным включением выпрямительного диода в режиме непрерывного тока дросселя без дополнительного усложнения устройства управления,На фиг.1 представлена схема преобразователя напряжения; на фиг,2 - диаграммы, поясняющие его работу.Преобразователь состоит из силового транзистора 1, трансформатора 2 тока, его первичной обмотки 3, включающей обмотки 4 и базовой обмотки 5, силового трансформатора 6, состоящего из первичной обмотки 7 и дополнительной вторичной обмотки 8, двух входных клемм 9 и 10, включающего транзистора 11, выключающего транзистора 12, первого диода 13, включенного между коллектором включающего транзистора 11 и первым выводом обмотки 4 трансформатора тока, второго диода 14, включенного между коллектором транзистора 12 и одним из выводов обмотки 8 силового трансформатора, параллельной СВО-цепи 15, состоящей из конденсатора 16, резистора 17 и диода 18, причем эта цепь включена между базой силового транзистора 1 и одним из выводов базовой обмотки 5 трансформатора тока, к этому же выводу обмотки 5 подключен через диод 19 коллектор выключающего транзистора. Другой вывод обмотки 8 силового трансформатора соединен с базой силового транзистора 1, эмиттеры всех транзисторов и другой вывод обмотки 5 подключены к входной клемме 10, а входная клемма 9 соединена одновременно со вторым выводом включающей обмотки 4 трансформатора тока и с одним из выводов первичной обмотки 7 силового трансформатора, Другой вывод обмотки 7 через первичную обмотку 3 трансформатора тока подключен к коллектору силового транзистора 1, на входы включающего и выключающего транзисторов подаются соответственно включающие и выключающие импульсы управления,Устройство работает следующим образом.При появлении управляющего импульса на базе включающего транзистора 11 он открывается и начинает протекать ток по цепи: +Овх (клемма 9),включающая обмотка 4 трансформатора 2 тока, первый диод 13, включающий транзистор 11, -Овх (клемма 10), Потенциал от базовой обмотки 5 транс форматора тока поступает на базу силовоготранзистора 1 через СЯО-цепь (16, 17, 18).Силовой транзистор 1 начинает открываться, Благодаря наличию положительной обратной связи, осуществляемой 10 трансформатором 2 тока, силовой транзистор лавинообразно открывается и переходит в режим насыщения, а трансформатор 2 переходит в режим трансформации тока.При этом величина токов, протекающих по 15 токовой и базовой обмоткам трансформатора 2 тока, пропорциональна току нагрузки.Напряжение на включающей обмотке 4 трансформатора тока, наведенное от базовой обмотки, в некоторых режимах может 20 превышать входное напряжение, и тогда диод 13 защищает транзистор 11 от обратного напряжения. Если напряжение на обмотке 4 меньше, чем входное, то к закрытому транзистору 11 (так как управляющий импульс 25 узкий) прикладывается разность этих напряжений. При появлении импульса на входе выключающего транзистора 12 он открывается и переходит в режим насыщения. При этом закорачивается через диод 19 30 базовая обмотка 5 трансформатора тока ирезко уменьшается отпирающий базу силового транзистора ток, Одновременно напряжение от дополнительной обмотки силового трансформатора прикладывается к перехо ду эмиттер-база и запирает его, при этомпроисходит интенсивное рассасывание избыточных носителей, накопленных в базе силового транзистора, После завершения процесса рассасывания силовой транзи стор 1 начинает запираться, поэтому уменьшается напряжение на дополнительной обмотке силового трансформатора, В этот момент времени к переходу эмиттер-база транзистора 1 прикладывается обратное на пряжение от конденсатора 16 СВО-цепи, чтозначительно уменьшает фронт выключения силового транзистора. После отключения выключающего транзистора, ранее открытого в течении времени короткого выключа ющего импульса и собственного временирассасывания, на базовой обмотке 5 трансформатора тока образуется отрицательное напряжение. В результате этого происходит размагничивание сердечника трансформа тора тока. Время размагничивания определяется интервалом выключенного состояния силового транзистора преобразователя. При работе преобразователя в режиме релейного регулирования низшая рабочая частота неограничена, так как уп1721750 10 30 35 40 45 50 55 равление включающим и выключающим транзисторами импульсное, а вольт-секундное ограничение, обязательно вводимое в этом случае для силового трансформатора, автоматически ограничивает вольт-секундный интервал для трансформатора тока.В следующий такт работы преобразователя напряжения приходит очередной короткий импульс на включающий транзистор 11, он открывается, и далее все процессы протекают аналогично описанному. Формула изобретения 1. Преобразователь постоянного напряжения, содержащий силовой транзистор, эмиттер которого подсоединен к первому входному выводу, коллектор соединен через первичные обмотки трансформатора тока и силового трансформатора с вторым входным выводом, а база подключена к первому выводу источника смещения, базовую обмотку трансформатора тока, первый вывод которой присоединен к первому выводу первого диода, включающий и выключающий транзисторы, базы которых подключены к выходам управления, а эмиттер выключающего транзистора подключен к первому входному выводу, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью расширения области применения путем уменьшения 5 времени переключения силового транзистора, введены второй и третий диоды, включающая обмотка трансформатора тока и дополнительная обмотка силового трансформатора, включенная между базой сило вого транзистора и первым выводомвторого диода, второй вывод которого подключен к коллектору выключающего транзистора и к второму выводу первого диода, при этом включающая обмотка трансформа тора тока включена через третий диод между вторым входным выводом и коллектором включающего транзистора, эмиттер которого подключен к первому входному выводу, а базовая обмотка трансформатора тока 20 включена между вторым выводоммсточникасмещения и первым входным выводом.2. Преобразователь по п,1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что источник смещения выполнен в виде конденсатора, шунтирован ного последовательной цепью из резистораи диода.О 2 4 б д 1 д 12 Ь 1 к варюш Э 1, 12О тофа ктор Н. Яцола Тираж ПодписноеГосударственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. У л, Гагарина, 10 ЗаказВН Ьэ 11