Преобразователь постоянного напряжения в постоянное

(5)5 тельГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ЯОПИСАНИЕ ИЗОБРДвтОРСкоМУ саидстельС(71) Центральный научнский радиотехнический и(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ(57) Использование: во вторичных источни. ках электропитанйя сйстем радиотехники, автоматики и вычислительной техники, Сущность изобретения; устройство содержит дроссель насыщеййя (1) с двумя сердечниками (2 и 3) и с расположенными на них рабочими обмотками (4 и 5) и обмотками управления (6 и 7), преобразователь постоянного напряжения в переменное (8) и вы1764127 10 20 30 35 тельных соединений 40 прямитель с нагрузкой (9). Рабочие обмотки (4 и 5) дросселя насыщения (1) соединены последовательна и включены между выходом преабраэовагеля постоянного напряжения в переменное (8) и входом выпрямителя (9). Обмотки. управления (6 и 7) через линейный дроссель (10) и диод (11) подключены к дополнительному источнику. Два ключевых транзистора (15 и 16) через два дополнительных дросселя насыщения (19 и 20) подклацены к диоду (11), вхОды ключевых транзисторов (15 и 16) соединены с дополнительным выходам преобразователя постояннога напряжения в переменное Изобретенйе относится к электротехнике и используется во вторичных источниках питания систем радиотехники, автоматики и вычислительной техники.Известен преобразователь постоянного напряжения в ток, содержащий входной трансформатор, дроссель насыщения, выпрямитель и фильтр, причем обмотка управления соединена с узлом управления, Недостатками данного устройства явлнатся низкаянадежность из-за большого количества соединений дросселя с выпрямителем и трансформаторов, отсутствие ограничения тока по входу (иэ-за использования свободного режима намагничивания) и низкий КПД из-за применения линейногорегулирования тока управления.Налболее близким к.предлагаемому по техйической сущности является преобразователь постоянного напряжения в ток, содержащий дроссель насыщения с двумя сердечниками и с расположенными на них рабочими обмотками и обмотками управления, преобразователь постоянного напряжения о переменное, выпрямитель с нагрузкой, причем рабочие обмотки дросселя насыщения соединены последовательно и включены между выходом преобразователя постоянного напряжения в переменное и входом выпрямителя, линейный дроссель идиод, включенные последовательно с обмотками управления дросселя насыщения, дополнительный источник питания, подключенный одним зажимом к одному из вы-.водов диода, а также узел управления насыщением дросселя насыщения, включающий схемусравйения, одним-входом подключенную к выходу осего устройства, другим входом - к источнику эталонного напряжения, а выходом - ко входу регулиру 1 ощега транзистора,. (8), вторичные обмотки (21 и 22) дополнительных дросселей насыщения (19 и 20) через диоды (23 и 24) соединены параллельно и подключены к конденсатору (25) и регулирующему транзистору (14). Изменение тока в обмотках управления (6 и 7) достигается изменением времени насыщенного состояния дополнительных дросселей (19 и 20), Надежность повышается эа счет выполнения общей обмотки, размещаемой на соосно расположенных сердечниках дросселя насыщения (1), выходного трансформатора и согласующего трансформатора. 6 з.п, флы,9 ил,Недостатками этого преобразователя являются; низкий КПД и надежность за счет сложности, связанные со следующими причинами:- при изменении тока церез управляющие обмотки дросселя насыщения линейный драссель должен обеспечивать непрерывный ток. При отсутствии тока к линейному дросселю прикладывается переменное напряжение второй гармоники переменного напряжения преобразователя, однако из-за наличия диода и сопротивления потерь в сердечнике линейного дросселя возникает несимметричный переменный ток, который, усиливаясь, поступает в нагрузку. Причем из-за линейности дросселя (т,к. постоянства индуктивности при изменении тока через него в широких пределах) величина этого паразитного тока мажет быть значительна. Для компенсации влияния этого тока вводится подгрузка по выходным зажимам, снижаащая КПД;при линейном регулировании тока через линейный драссель на регулирующем транзисторе выделяется значительная мощность, снижающая как КПД, так и надежность;- при построении мощных преобразователей постоянного напряжения в ток (например, при токах через дроссель насыщения 50-100 А и выше) возникают трудности сочленения выводов выходного трансформатора, дросселя насыщения, согласующего трансформатора. Обеспечение пайкой этих сочленений затруднено, а механические соединения снижают надежность Цель изобретения - повышение КПД инадежности за счет исклюцения дополниПоставленная цель достигается, что впреобразователь постоянного напряженияв постоянное, содержащий дроссель насы- но со второй рабочей обмоткой основного щения с двумя сердечниками и с располо- дросселя насыщения и выполнена в виде женными на них рабочими обмотками и единой обмотки, намотанной на располообмотками управления,-пРеобразователь женные соосно сердечник согласующего постоянного напряжения в переменное, вы трансформатора и сердечники основного прямитель, соединенный с выходными вы- дросселя насыщения.водами, причем рабочие обмотки дросселя Обмотка выходного трансформатора насыщения соединены последовательно"и преобразователя постоянного напряжения включены между выходом преобразователя в переменное, рабочие обмотки основного постоянного напряжения в переменное и 10 дросселя насыщения и первичная обмотка входом выпрямителя, линейный дроссель и согласующего трансформатора включены диод, включенные последовательно с об- согласноивыполненыввидеединойобмотмотками управления дросселя насыщения, ки, намотанной на расположенные соосно дополнительный источник питания, под- сердечники выходного трансформатора ключенный одним выводом к одному из вы преобразователя постоянного напряжения водом диода; а также узел управлейия в переменное, сердечники основного дроснасыщением дросселя насыщения, включа- селя насыщения и сердечник согласующего ющий всебя узел сравнения, одним входом трансформатора.подключенный к выходным выводам, дру- Диод зашунтирован дополнительно гим - к источнику эталонного напряжения, 20 введенным резистором.а выходом - ко входу регулирующего тран- Сердечник линейного дросселя выползистора, введены два ключевых тРанзисто- нен составным из йервогосердечника с выра два дополнительных дросселя сокой магнитнойпроницаемостьюи второго насыщения с первой и второй обмотками и сердечника с малой магнитной проницаемосердечниками, отношение Вг/Вз которых 25 стью при близких значениях индукции насыравно нулю, два дополнительнйх диода щения Вз у обоих.и конденсатор, а преобразователь постоян- На фиг. 1 показана структурная схема ного напряжения в переменное снабжен до- устройства; на фиг. 2 - 4 - принципиальные полнительнцм выходом по переменному . электрические схемы устройства; на фиг.5- току, который подключен ко входам ключе график, поясняющий характеристики сервых транзисторов, коллекторов, коллекторы дечников дополнительных дросселей насыкоторых соединены через первые обмотки щения; на фиг, 6 - график, поясняющий дополнительных дросселей насыщения с характеристики составного сердечника общей точкой соединения диода и линейно- линейного дросселя; на фиг. 7 - 9 - конструкго дросселя, эмиттеры ключевых транзи тивное выполнение выходного трансформасторое подключены ко второму выводу тора, основного магнитного усилителя, дополнительного источника. питания; а вто- согласующего"трансформатора,рые обмотки дополнительных дросселей на- Устройство на фиг. 1 содержит дроссель сыщения соединения параллельно через насыщения 1 с двумя сердечниками 2, 3 и дополнительные диоды к конденсатору, па расположенными на них рабочими обмотка" раллельно которому подключен регулирую- ми 4, 5 и обмотками управления 6, 7, преобщий транзистор. разователь постояйного напряжения вПоставленная цель достигается также переменное 8, выпрямитель с нагрузкой 9, тем, что рабочие обмотки основного дроссе- причем рабочие обмотки 4,5 дросселя насыля насыщения включены согласно, а его об щения 1 соединены последовательно и мотки управления включены встречно . включены между выходом преобразователяПреобразователь постоянного напря- постоянного напряжения в переменное 8 и жения в переменное выполнен по схеме входом выпрямителя 9, линейный дроссель ключевого усилителя мощностисвйходным 10 и диод 11, включенные последовательно трайсформатором, а его выходная обмотка 50 с обмоткамиуправления 6,7 дросселя насысоединена с первой рабочей обмоткой ос- щения 1, дополнительный источник питания новного дросселя насыщения соглаСно и Одопподключенный одним зажимом кодвыполнена в виде единой обмотки, намотан- ному из выводов диода 11, Узел управления ной на расположенные соосно сердечник 12 насыщения дросселя насыщения 1 вклювыходного трансформатора и сердечники 55 чает схемусравнения 13, одним входом подосновногодросселянасыщения,ключенную к выходу всего устройства,Между входом выпрямителя и рабочей другим входом - к источнику эталонного обмоткой основного дросселя насыщения напряжение 0 э, а выходом - ко входу включен согласующий трансформатор, пер- регулирующего транзистора 14. Дополнивичная обмотка которого включена соглас- . тельный выход по переменному току преобразователя постоянного напряжения в переменное 8 подключен ко входам ключевых транзисторов 15, 16, коллекторы которых соединены через первые обмотки 17, 18 дополнительнь 1 х дросселей насыщения 19, 20 с общей точкой соединения диода 11 и линейного дросселя 10, Эмиттеры ключевых транзисторов 15, 16 подключены ко второму зажиму дополнительного источника питания Одоп, а вторые обмотки 21, 22 дополнительных дросселей насыщения 19, 20 соединены параллельные через дополнительные диоды 23, 24 к конденсатору 25, параллельно которому также подключен регулирующий транзистор 14,Диод 11 может быть зашунтирован резистором 26. Рабочие обмотки 4, 5 основного дросселя насыщения 1 включены согласно, а его обмотки управления 6, 7 - встречно.Фиг.2 - преобразователь постоянного напряжения в переменное 8 выполнен по схеме ключевого усилителя мощности с выходным трансформатором 27, сердечником 28, а его выходная обмотка 29 соединена с первой рабочей обмоткой 4 основного дрос селя насыщения 1 согласно,Фиг, 3 - между входом выпрямителя 9 и рабочей обмоткой 5 основного дросселя насыщения 1 включен согласующий трансформатор 30 с сердечником 31, первичная обмотка 32 которого включена согласно со второй рабочей обмоткой 5 основного дросселя насыщения 1.Фиг. 4 - обмотка 29 выходного трансформатора 27 преобразователя постоянного напряжения в переменное 8, рабочие обмотки 4, 5 дросселя насыщения 1 и первичная обмотка 32 согласуюшего трансформатора ЗО включены согласно,Преобразователь постоянного напряжения в ток работает следующим образом. Прй подаче напряжения питания Оо на преобразователь постоянного напряжения в переменное 8 сердечники 2, 3 дросселя насыщения 1 начинают перемагничиваться, При этом наличие в цепи обмотокуправления дросселя 10 предопределяет вь 1 нужденный режим перемагничивания, т,е, отсутствие состояния насыщения двух сердечников дросселя насыщения, При этом переменное напряжение подается на ключевые транзисторы 15, 16, которые попеременно в течение периода находятся в состоянии насыщения и режима отсечки. При открытом состоянии ключевого транзистора 15 или 16 сердечник дополнительного дросселя насыщения 19, 20 начинает намагничиваться и ток через ключевой транзистор 15 определяется током холостого хода дросселя, При насыщении сердечника дополнительного дросселя 19 ток через ключевой транзистор 15 скачком увеличивается, вызывая отключение диода 11 и поступление 5 тока в линейный дроссель 10 и обмотки управления 6, 7 дросселя насыщения 1. При смене полярности управляющего напряжения на ключевых транзисторах 15, 16 начинает перемагничиваться до насыщения 10 сердечник дополнительного дросселя насыщения 20. В это время энергии магнитного поля сердечника дополнительного дросселя насыщения 19 через обмотку 21, дополнительный диод 23 поступает в конденсатор 15 25. Изменением внутреннего сопротивления регулирующего транзистора 14 изменяется баланс запасенной и расходуемой энергии, поступаемой от дополнительных дросселей 19, 20. Тем самым фиксируется.20 интервал перемагничивания (максимальный интервал перемагничивания О, +Вз), что, в свою очередь, определяет скважность работы ключевых транзисторов 15, 16 по передаче тока в линейный дроссель 10, В 25 интервале закрытого состояния (интервалперемагничивания дополнительного дросселя насыщения) открыт диод 11 и обеспечивается рекуперация энергии дросселя 10 в обмоткиуправления 6,7 дросселя насыще- ЗО ния 1. Таким образом, линейный дроссельвыполняет две функции; элемента, сглаживающего переменную составляющую вто-рой гармоники и элемента ключевого стабилизатора, обеспечивающего накопле ние и передачу энергии в нагрузку (обмоткиуправления). При уменьшении тока черездроссель 10 требуется обеспечениенепрерывного тока, что, в свою очередь, гарантирует режим вынужденного намагни;40 чивания. Для этого сердечник линейногодросселя выполНяется составным с параметрами сердечников, приведенных на фиг.. 6, это позволяет .при малых токах иметьбольшое значение индуктивности, а при 45 больших, за счет насыщения первого сердечника, меньшую, но обеспечивающую ре- .жим вынужденного намагничивания, При сбросе нагрузки ток через обмотки управления 6,7 дросселя насыщения 1 должен быть 50 нулевым, однако этого не происходит из-заналичия диода 11. Из-за потерь в сердечнике линейного дросселя 10 возникает несимметричный режим нагрузки на обмотки 6, 7 дросселя насыщения 1. Для компенсации 55 несимметрии тока и исключении постоянной составляющей включен резистор 26, который в непроводящий полупериод для диода 11 образует дополнительный контур, компенсирует наличие контура в другой полупериод, что обеспечивает уменьшениепостоянной составляющей, а, следовательно, и работу на малых рабочих токах нагрузки. Величина токов намагничивания дополнительных дросселей насыщения незначительна и составляет единицы милли- ампер (сердечник К 7 х 3 х 2), что не влияет на характеристики устройства. Устранение дополнительных соединений дросселя насыщения к выходному трансформатору, согласующему трансформатору или выпрямителю (это особенно важно при больших 10 токах нагрузки 20-100 и более ампер) достигается намоткой общей обмотки насердечники дросселя насыщения, входного трансформатора, согласующего трансформатора. При этом должно обязательно выполняться условие: рабочая индукция сердечника выходного трансформатора должна быть не менее индукции насыщениясердечника дросселя насыщения,т.е. Врг 8,з 1Вэг,з при Яг 8,з 1 == 2 Я 2=2 Яз,где Я 28,з 1; Я 2; Яз - площадь сечения сердечника выходного трансформатора 28, согла 20 сующего 31, дросселя насыщения 1 25 При таком условии достигается наиболее оптимальная форма интегрированного магнитного компонента, при котором внешние и внутренние диаметры сердечников равны,30 а высоты отличаются вдвое для выходного трансформатора по отношению к сердечникам дросселя насыщения, т,е,п 28 = пз 1 = 2 пг = 2 пз = п 2 + пзФормула изобретения 35 1. Преобразователь постоянного напряжения в постоянное, содержащий дроссель насыщения с двумя сердечниками и с расположенными на них рабочими обмотками и обмотками управления, преобразователь 40 постоянного напряжения в переменйое, выпрямитель, соединенный с выходными выводами, причем рабочие обмотки дросселя насыщения соединены последовательно и включены между выходом преобразователя ключенный одним выводом к одному иэ вы водов диода, а также узел управления насыщением дросселя насыщения, включающий в себя узел сравнения, одним из входов подключенный к выходным выводам,55 другим - к источнику эталонного напряжения, а выходом. - к входу регулирующего транзистора, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения КПД и надежности путем упрощения, введены два ключевых транзистора, два дополнительных дросселя постоянного .напряжения в переменное и 45 входом выпрямителя, линейный дроссель и диод, включенные последовательно с обмотками управления дросселя насыщения, дополнительный источник питания, поднасыщения С первой и второй обмотками и сердечниками, отношение Вг/Вз которых равно нулю, два дополнительных диода и конденсатор,а преобразователь постоянного напряжения в переменное снабжен дополнительным выходом по переменному току, который подключен к входам ключевых транзисторов, коллекторы которых соединены через первые обмотки дополнительных дросселей насыщения с общей точкой соединения диода и линейного дросселя, эмиттеры ключевых транзисторов подключены к второму выводу дополнительного источника питания, а вторые обмотки дополнительныхдросселей насыщения присоединены параллельно через дополнительные диоды к конденсатору, параллельно которому подключен регулирующий транзистор,2. Преобразователь по и, 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что рабочие обмотки основного дросселя насыщения включены согласно, а его обмотки управления включены встречно,3. Преобразователь по пп. 1 и 2, о т л ич а ю щ и й с я тем, что преобразователь постоянного напряжения в переменное выполнен по схеме ключевого усилителя мощности с выходнИм трансформатором, выходная обмотка которого соединена с первой рабочей обмоткой основного дросселя насыщения согласно и выполнена в виде единой обмотки, намотанной на расположенные соосно сердечник выходного трансформатора и сердечник основного дросселя насыщения;4. Преобразователь по пп, 1 и 2, о т л ич а ю щ и й с я тем, что указанное соединение рабочей обмотки с входом выпрямителя осуществлено через согласующий трансформа- тор, первичная обмотка которого включена согласно с второй рабочей обмоткой дросселя насыщения основногои выполнена в виде единой обмотки, намотанной на располокенные соосно сердечник согласующего трансформатора и сердечники основного дросселя насыщения,5. Преобразователь по пп. 1-4, о т л ич а ю щ и й с я тем, что обмотка выходного трансформатора преобразователя постоянного напряжения в йеременное, рабочие обмотки основнОго дросселя насыщейия и первичная обмотка согласующего трансформатора включены согласно и выполнены в виде единой обмотки, намотанной на расположенные соосно сердечйики выходного трансформатора преобразователя постоянного напряжения в переменное, сердечники основного дросселя насыщений и сердечник согласующего трансформатора.6. Преобразователь по и, 1, о тл и ч а ю- дросселя выполнен составным из первого щ и й с я тем, что диод зашунтирован вве- сердечника с высокой магнитной проницае денным резистором. мостью и второго сердечника с малой маг 7. Преобразователь по и. 1, о тл и ч а ю- нитной проницаемостью при близких щ и й с я тем,.что сердечник линейного 5 значенияхиндукциинасыщения Взуобоих,1764127 Ог) Составитель В.Хандогинктор М.Кузнецова Техред М,Моргентал Корректор М,Керецман ательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул;Гагарина, 1 Производственно Заказ 3461 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5