Двухтактный конвертор

(и 675555 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДВТВЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалист ицескихРеспублик Ып сударстеенный квинтет . СССР но делам нзобретеннй н откритнй(088,8 летеньа опубликования описания 25.07.79(72) Авторыизобрете В. М, Булык и Б, К, Гальс 71) Заявитель Научно. исследовательский институт управ машинвычислительных ТАКТНЫЙ КОНВЕРТОР Изобретение относится ко вторичным источникам питания и может быть использовано в частном случае для электропитания радиоэлектронной техники..Для питания различной аппаратуры применяются конверторы снепосредствгннымвыпрям- . 3 пением сетевого напряжения и дальнейшим преобразованием его на повышенной частоте в не. обходимые номиналы постоянного напряжения; при этом входное напряжение достигает 200 - 350 В. Указанная величина входного напряже . 10 иия обусловливает применение конверторов по полумостовой и мостовой Схемам.В известных конверторах в одних случаях возникает ассиметрия в. работе плеч конверто- ра из.за технологического разброса транзисто. 15 . ров по времени рассасывания избыточных носителей и но прямому напряжению змиттерныхпереходов возникает асимметрия в работе плеч конвертора, вызывающая одностороннее пасы щение сердечника трансформатора, что приво; Ю дог к резкомуувеличению потерь в нем и опасным всплескам коллекторного тока при переключении одного, из транзисторов и к возникновению на последнем значительных по. терь 1. В друтих конверторах устраняется только одна из причин ассиметрии - техноло. гический разброс транзисторов по прямому напряжению эмиттерных переходов 2.Наиболее" близким по технической сущности является двухтактный конвертор, который содержит мост, одно плеЧо которого образовано транзисторами, а другоеконденсаторами, трап форматор, первичная обмотка которого вклю. чена в диагональ моста, и вторичная подсоедннена через выпрямитель и емкостной 4 ильтр к выходным выводам, обмотки положительно обратной связи, подключенные через базовые резисторы к базо-змитгерным переходам транзи торов, двухобмоточный частотозадающий индуктивньй элемент, обмотки которого связаны через разделительные диоды и дополнительные обмотки трансформатора с указанными базоэмнт терными переходами31 .В этом конверторе частотозадающий элемент выполнен в виде дросселя, который снабжен дополнительной обмоткой включенной встречно с вспомогательной обмоткой трансформатора.6755553 4В данномконверторе длительность перемаг- При использовании в конверторе транзистоничивания дросселя не зависит от технологи- ров с активным запиранием обмотки индуктив.ческого разброса транзисторов по прямому на- ного элемента размещены на двух сердечниках,пряжению эмиттерных переходов и имеется воз" а конвертор снабжен дополнительными диодами,5можность симметрировать работу плеч конвер- каждый из которых одним концом соединен стора переменным резистором. Однако он име. общей точкой соединения одного вывода соот.ет следующие недостатки: отноСительнаяслож- ветствующей обмотки индуктивного элементаность схемы, относительно узкий диапазон ре. и разделительного диода, а другим - через вве.гулировки по устранению асимметрии, недоста. денный резистор и упомянутую дополнительнуюточная устойчивость отсимметрированного сос обмотку с другим выводом обмотки индуктивного элемента.Относительная сложность схемы обусловле. На фиг. 1 - 4 представлены варианты двухна введением еще по одной дополнительной об-тактного конвертора.- -"мотке на трансформатор и дроссель резистор.Двухтактный конвертор (см. фиг, 1) содержитно.диодной цепочки.- - -: ." "- 15 конденсаторы 1 и 2, транзисторы 3 и 4, обраНедостаточная устойчивость отсимметрирован- зующие транзисторно.емкостной мост,конден-.ного состояния в данном конверторе объясня- сатор 5 повышающий устойчивость отсиммет.ется тем, что в нем не предусмотрены меры рированного состояния, трансформатор 6, имею.по автоматическомуустранению асйьгметрйи воз- щий первичную обмотку 7, вторичную обмоткучникающеи при изменении тока нагрузки и тем 8, подсоединенную к выпрямителю 9 с емкост-.пературы окружающей среды. Эта асимметрия ным фильтром 10, обмотки положительной 11возможна из-за различногО закона изменения и 12 обратной связи, содержащее по одинаковремени рассасывания избыточных носителей вому числу витков и подключенные через ретранзисторов при изменении их коллекторных зисторы 13 и 14 к эмиттерным переходам тржтоков и температуры окружающей среды. 25 зисторов, две одинаковые дополнительные обЦелью изобретения является упрощение схе. мотки 15 и 1 б, частотозадающий индуктивный- мы ирасширения диапазона регулировки при элемент 17 с обмотками 18 и 19 (выполненодновременном устранении асимметрии, а такженый в виде дросселя на одном сердечнике);повышение устойчивости отсимметрированного разделительные диоды 20 и 21, дополнительно30 введеннйе-реэйсторы 22 и 23, диоды 24 и 25,Это достигается тем, что конвертор содержит защищающие эмиттерные переходы транзисторовмост, одно плечо которого образовано транзис- от пробоя обратным напряжением,торами, а другое конденсаторами, трансформа. Обмотки 11, 12; 15 и 16 целесообразно вы"- "тор, первичная обмотка которого включена в бирать одинаковыми и амплитуда напряжениядиагональ моста, а вторичная подсоединена зс на каждой иэ них должна быть в 8 - 10 раз, через выпрямитель и емкостный фильтрк вы- больше чем максимально возможное прямое.на.ходным "выводам, обмотка положительной обрат. пряжение эмиттерного перехода транзисторов,ной связи,подключенные через базовые,.резисто-что обусловлено стремлением избавиться от вли- ры к базоэмиттерным переходаА 4 "трайзисторов, " яния на работу конвертора технологическогодвухобмоточный частотоэадающий индуктивный 40 разброса транзисторов по указанному напряже.элемент, обмотки которого"связаны черезраз- " "нию,делительные диоды и дополнительные обмотки Рассмотрим процессы, происходящие в конвертрансформатора с указанными базо-эмиттерными. торе по фиг. 1, без учета влияния конденсаторапереходами,. а параллельно первичной обмотке 5. Допустим, что транзистор 4 открьгг. Тогдатрансформатора включен конденсатЬр, а каждая 45 обмотка 7 подключена через открытый транзисобмотка индуктивного элемента связана с резне.тор к конденсатору 2, под действием напряжениятором,причем, йо"меньшей мере одйн из нихкоторого сердечник трансформатора 6 перемег.является регулируемым, ничивается, Транзистор 4 открыт током, проте.Кроме тогоуказаннаясвязь осуществлена кающим через его эмиттерный переход от обчерез два дополнительно введеннйхрезйстора, я, мотки 12 через резистор 14, а транзистор 3каждый из который включенпоследовательно запрет прямым напряжением диода 24, вызванс обмоткой упомянутого индуктивного элемента. нымпротекающим через него током от обмот.При использовании в конверторе транзисто. ки 11 через резистор 13. Сердечник дросселя 17ров спасивным запиранием в качестве базовых перемагничивается под действием напряжения, об.резисторов использованы потенциометры, сред мотки 16, подключенной к обмотке 19 черезние выводы которых через упомянутые разде- эмиттерный переход транзистора 4, диод 21 илительные диоды и обмотки дросселя подклю- резистор 23, Цепь обмотки 18 разорвана диодом.чены к эмиттерам транзисторов соответствующих 20, который заперт суммарным напряжением об.5Время перемагничивания сердечника дросселя17 всегда должно быть меньше времени перемагничивания сердечника трайсформатора б,В момент насыщения сердечника дросселя че.рез эмиттерный переход транзистора 4 от об 5мотки 1 б начинает протекать ток, ограниченныйрезистором 23, и вызывающий запирание трызистора 4. Меняется полярность напряжений наобмотках трансформатора, Открьвается транзис.тор 3, подключая обмотку 7 к.конденсатору 1,под действием напряжения которого сердечниктрансформатора перемагничивается в противоположном направлении. Диод 21 запирается, раз.рывая цепь обмотки 19, а диод 20 открьвается,подключая обмотку 18 через эмиттерный переходтранзистора 3 и резистор 22 к обмотке 15, поддействием напряжения которой сердечник дрос.селя также перемагничивается в противоположномнаправлении, Далее процессы в конверторе проходят как и при открытом транзисторе 4,Максимальная величина сопротивления резис.тора 23 выбирается равной сопротивлению ре.зистора 14, а величина сопротивления резисто,ра 22 - в 2 - 3 раза меньше.Симметрирование плеч конвертора осущест-вляется резистором 23. С увеличением его сопротивление уменьшается напряжение обмотки 19и ток, запирающий транзистор 4, что приводитк увеличению длительности полупериода преобразования со стороньг транзистора 4 за счетВзовозрастания времени рассасывания избыточныхносителей последнего и времени перемагничива.ния сердечника дросселя 17, С уменьшениемсопротивления резистора 23 наблюдается противоположное явление,Рассмотрим вопросы, связанные спримене 35нием конденсатора 5,В предлагаемом конверторе данный конденсатор используется с целью повышения устой.чивости отсимметрированного состояния, т.е.,40с помощью конденсатора 5 автоматически устра.няется асимметрия в конверторе, вызванная из.менением его тока нагрузки, температуры окружающей среды,Механизм устранения асимметрии в коиверто=ре конденсатором 5 следующий, Допустим, что45транзистор 4 включен и длительность его вклю.ченного состояния (с учетом времени рассасьва.ния) больше, чем у транзистора 3, Пока сердечник дросселя 17 не насыщен, конденсатор 55 Озаряжен до амплитудного значений напряженияобмотки 7 и на работу конвертора не окаэы.вает влияния. В момент насыщения сердечника дросселя 17 в цепь базы транзистора 4 черездиод 21 поступает запирающий импульс тока.55В тарнзисторе 4 происходит процесс рассасывания избыточных носителей, сопровождающийсямалым увеличением коллекторного нитряже.ния и уменьшением напряжений на обмотках 6трансформатора. Если учесть, что при переключении транзистора напряжение на конденсаторе 10 практически не меняется, то всякое незначительное. уменьшение напряжения на обмотке 8 вызывает резкое уменьшение тока выпрямителя 9, Как только напряжение на обмотке 8 уменьшится на величину, равную прямому на.пряжению выпрямителя 9, последний запирает.ся, отключая цепь нагрузки от конденсатора, Далее трназистор 4 беспрепятствейно закрыва.ется, а сердечник.трансформатора бпродолжа.ет перемагничиваться в первоначальном направ.пении под действием энергии. заряженного конценсатора 5 до тех пор, пока напряжение на последнем не станет раним нулю, Затем прек. ращается рост магнитного потока в сердечнике трансформатора, меняется полярность напряжений на его обмотке иначинается заряд про. тивоположной полярности конденсаюра 5 энергией, накопленной трансформатором б. Но так как напряжение на обмотке 11 пропорционально величине напряжения на конденсаторе 5, то по мере его заряда прноткрьваетсятранзистор 3, осуществляя частичный его заряд энергией входного источника. В момент окончания за.ряда конденсатора 5 полностью открывается транзистор 3, подключая. обмотку 7 к конденсатору 1, в результате чего сердечники транс.форматора и дросселя перемагничиваются в про--тивоположном направлении, конденсатор 5опять це оказывает влияния на работу конвертора, пока сердечник дросселя не насыщен, После его насыщения запирается транзистор 3, а сердечник трайсформатора продолжаетпере.магничиваться в неизменном направлении под действием приложенного к обмотке 7 напряжения на конденсаторе 5, Только теперь во времени этот процесс идет дольше, ибо в мо.мент запирания транзистора 3 ток намагничивания трансформатора имел меньшую величину, чем в момент запирания транзистора 4, т.е.происходит автоматическое симметрнрование работы плеч конвертора.В варианте конвертора, представленном на фиг. 2, не используются дополнительные обмотки трансформатора б, и элементом, позволяющим устранить асимметрию, являетсй базовый резистор 14. Конструктивно резистор 13выполняется из двух одинаковых резисторов, соединенных последовательно.В отличие от рассмотренного, в данном вари. анте конвертора при открытом транзисторе 4 сердечник дросселя 17 перемагничивается поддействием приложенного к обмотке 19 черездиод 21 напряжения, равного разности напряжений на обмотке 12 и на части резистора 14, В это время диод 20 заперт, напряжением, рав. ным сумме напряженйй на обмотках 11 и 18 за вычетом половины напряжениянарезисторе713, При насыщении сердечника дросселя токобмотки 12 замыкается через обмотку 19, врезультате ток эмиттерного перехода транзистора 4 близок к нулю, что приводит к запиранию последнего и т, д. При движении ползункарезистора 14 влево напряжение на обмотке 19умейьшается, поэтому увеличивается длитель.ность состояния транзистора 4; а при движещ 4 иего вправо наблюдается противоположное явле.,ние, 1 оДостоинствами конвертора изображенногока фиг. 2, являются простота схемы и широкийдиапазон регулировки по устранению асимметрии, Но его можно выполнить на транзисторах,у которых при пассивном запирании время рас 15сасывания избыточных носителей не превышает15% от периода преобразования.В вариант конвертора на фиг, 3, в отличиеот изображенного на фиг, 1, введены дополнительными диодами 26 и 27, а обмотки 18 и 19индуктивного элемента размещены на двухсердечниках 28 и 29,Рассмотрим особенности работы конвертора,представленного на фиг, 3. При открытом тран 25зисторе 4 через его эмиттерный переход и диод21 к дросселю 29 приложено напряжение обмотки 16; под действием которого его сердечникперемагничивается в прямом направлении. Вэто же время сердечник дросселя 28 перемагзоничивается в обратном направлении под действием напряжения обмотки 15, подключеннойк дросселю через диод 26 и резистор 22. Сопротивление последнего должко быть таким, чтобыперемагкичивание сердечника дросселя 28 за.З 5канчивалось тогда, когда его магнитная икдукция достигнет значения, соответствующего приблизительно середине участка + Нпетлигистерезиса материала сердечника (здесь З ос.таточная индукция, Й - икдукция насыщения),40Когда сердечник дросселя 29 насыщается, от обмотки 16 через диод 21 следует мощкый импульстока, вызывающий интенсивное эапиракие транзистора 4. При открытом транзисторе 3 черезего эмиттерный переход и диод 20 кдросселю4528 приложено напряжение обмотки 15, а черездиод 27 и резистор 23 к дросселю 29 - напря.жение обмотки 16;"в результате чегосердечникпервого дросселя перемагничивается в прямомнайравлении, а сердечник второго - в обратном50направлении. Резистор 23 должен позволять впроцессе регулировки устанавливать начальноезначение магнитной йндукш 4 и дросселя 29 влюбой точке петли гистезиса между+Вг и -3 З.Вариант конвертора на фиг. 3 следует выпол.55нять, когда необходимо применить транзисторы,требующие интенсивное активное запйрание и име.ющее относительно большой разброс по временирассасывания избыточных носителей,8При высоком входном напряжении 200 - 350 Вв некоторых случаях необходимо применениемостового конвертора так как максимальноеколлекторное напряжение его транзисторов, каки в полумостовом конверторе, не превышаетвеличины входного напряжения, но в сравнениис последним при всех прочих равньи условияхпозволяет получить на выходе в два раза большую мощность. Наиболее просто и рациональнов нем реализовать идею по устранению асимметрии, примененную в полумостовом конверторепо фиг. 3.Двухгактный конвертор, изображенный нафиг. 4, содержит четыре транзистора 3, 4, 30и 31, включенных по схеме транзисторногомоста; трансформатор б, имеющий первичнуюобмотку 7, зашунтированную конденсатором 1,5 и включенную в диагональ моста, вторичнуюобмотку 8, подсоединенную к выпрямителю 9с емкостным фильтром 10, четыре обмотки положительной обратной связи 11, 12, 32 и 34,подключенные через резисторы 13;.14, 34 и35 к эмиттерным переходам транзисторов, четыре дополнительных обмотки 15, 16, 36 и37, две одинаковых двухобмоточных частотозадающих дросселя 17 и 38 с равным числомвитков в каждой обмотке, причем обмотки18 и 19 дросселя 17 через дополнительные обмотки 15 и 37 и разделительные диоды 20 и39 подключены к эмиттерным переходам транзисторов 3 и 31 противоположных плеч,моста, а обмотка 40 и 41 дросселя 38 черездополнительные обмотки 36, 16 и разделительные диоды 42 21 - к эмиттерным переходамтранзисторов 30 и 4; две цепочкй,каждая из:которых состоит из диода 26 (27) и резисто.ра 22, (23),Рассмотрим основные особенности работы данного конвертора, связанные в основном с про.цессом перемагничивания сердечников дроссе.лей. При открытых транзисторах 30 и 4 сердечник дросселя 38 перемагничивается в прямом направлении со стороны обмотки, подключекной к транзистору, имеющему меньшеепрямое напряжение эмиттерного перехода. Так,например, если транзистор 4 имеет меньшеезначение указанного напряжения, то диод 42заперт, а сердечник дросселя 38 перемагничи.вается под действием напряжения обмотки 16,подключенной к обмотке 41 через диод 21 иэмиттерный переход транзистора 4. В это жевремя сердечник дросселя 17 перемагничива.ется в обратном направлении под действиемнапряжения обмотки 37, приложенного к обмотке 19 через диод 26 и резистор 22, В мо.мент насыщения сердечника дросселя 38 откры.,вается диод 42 й через эмйттерные переходытранзисторов 30 и 4 проходят синхронно отэбмоток 36 и 16 мощные импульсъ тока, вы.9зывающие интенсивное залирание указанных транзисторов. При открытых транзисторах 3 и 31 сердечник дросселя 17 перемагничивается .Фв прямом направлении со стороны либо обмот. ки 18, либо обмотки 19, а сердечник дроссе 5 ля 38 - в обратном направлении под действием напряжения обмотки 16, подключенной к обмотке 41 через диод 27 и резистор 23. В остальном процессы, происходящие в данном конверторе, такие же, как и в конверторе по 1 о фиг, 3.Формула изобретения1, Двухтактный конвертор, содержащий мост, одно плечо которогр образовано транзисторами, а другое конденсаторами, трансформатор, первичная обмотка которого включена в диагональ моста, вторичная - через выпрямитель и ем.костный фильтр подсоединена к выходным выводам конвертора, а обмотки положительной обратной связи - через базовые резисторы20 подключены к базо-эмиттерным переходам соответствующих транзисторов, двухобмоточный частотозадающий индуктивный элемент, обмотки которого связаны через разделительные диоды и дополнительные обмотки трансформатора с укаэанными баэо-эмиттерными переходами,-о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью упрощения схемы и расширения диапазона регулировки при одновременном устранении асиммет. рии, параллельно первичной обмотке трансформатора включен кондснсатор, а каждая обмотка индуктивного элемента связана с резистором, причем по меньшей мере один из них является регулируемым.2. Конвертор по и, 1, о т л и ч а ю щ и й 35 с я тем, что указанная связь осуществлена 10через два дополнительно введенных резистора,каждый из которых включен последовательно собмоткой упомянутого индуктивного элемента,3, Конвертор по п. 1; о т л и ч а ю щ и йс я тем, что при использовании в нем транзисторовс пассивным задиранием в качествебазовых резисторов использованы потенциомет., ры, средние выводы которых через упомянутыеразделительные диоды и обмотки дросселяподключены к эмиттерам транзисторов соот.ветствующих плеч конвертора,4. Конвертор по и, 2, о т л и ч а 1 о щ и йс я тем, что, при использовании в нем транзисторов с активным запиранием обмотки индуктивного элемента размещены на двух сердечниках, а конвертор снабжен дополнительными диодами, каждый из которых одним концомсоединен с общей точкой соединения одноговывода соответствующей .обмотки индуктивного элемента и разделительного диода, а дру.гим - через один из введенных резисторов иупомянутую дополнительную обмотку с дру. гим выводом обмотки индуктивного элемента.Приоритет по п, 3 исчислять с 08.12.75, поп.4.с 23.02.76.Источники информации, принятые во внима.ние при экспертизе1. "Радиотехника", 1968 т. 23, К 8, с, 66-69.2. Заявка У 2135686/07 от 20.05,75, по которой принято решение о выдаче авторского свидетельства.3. Заявка И 216657607 от 18.08,75, по которой принято решение о выдаче авторского свидетельства,675555СоставительТехред 3. Фант ев Корректор "М. По едактор О. Стенин Тираж 856 ИПИ Государственного ко по делам иэобретений и о Москва, Ж - 35, Раушская на акаэ 4325/47 сное митета ССС крытий 6;, д, 4/5