преобразователь постоянного напряжения

Формула изобретения

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий выполненный по двухтактной схеме ключевой усилитель на транзисторах, трансформатор тока с первичной обмоткой, включенной в цепь выходных выводов, вторичными и дополнительными обмотками и управляющий каскад, выполненный по двухтактной схеме на управляющих транзисторах, входы которых являются управляющими входами, управляющий трансформатор, последовательные цепочки диодов и коммутирующие ключи, причем транзисторы двухтактного ключевого усилителя включены по схеме с общей базой, вторичные обмотки трансформатора тока зашунтированы последовательными цепочками диодов и включены параллельно базоэмиттерным переходам транзисторов ключевого усилителя через коммутирующие ключи, входы которых соединены соответственно с второй и третьей обмотками управляющего трансформатора, первичная обмотка которого подключена к выходу управляющего каскада, а четвертая обмотка управляющего трансформатора соединена с дополнительной обмоткой трансформатора тока, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности путем исключения сквозных токов при работе в режиме холостого хода, выходные выводы ключевого усилителя подсоединены к первичной обмотке введенного выходного трансформатора, каждая из дополнительных обмоток которого через введенные диоды подсоединена к управляющему переходу соответствующего коммутационного ключа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к источникам вторичного электропитания и может быть использовано для питания различных радиотехнических устройств.

Известны преобразователи постоянного напряжения, содержащие выполненный по двухтактной схеме ключевой усилитель на транзисторах и трансформатор [1] .

К недостаткам этих преобразователей относится: трудность формирования необходимой траектории переключения (в области безопасной работы) транзисторов при сравнительно высоких питающих напряжениях, сравнительно большие потери мощности, необходимость использования (при высоких питающих напряжениях) специальных транзисторов с высоким быстродействием и большим допустимым граничным напряжением между коллектором и эмиттером. Все это ограничивает КПД и надежность преобразователей, приводит к увеличению их стоимости, массы и габаритов.

Известны также преобразователи постоянного напряжения, содержащие выполненный по двухтактной схеме ключевой усилитель на транзисторах и управляющий каскад, выполненный по двухтактной схеме на управляющих транзисторах [2] .

В известных преобразователях возникают трудности с формированием необходимой траектории переключения транзисторов (в области безопасной работы) при сравнительно высоких питающих напряжениях. К транзисторам преобразователей предъявляются специальные требования по быстродействию и к допустимому граничному напряжению между коллектором и эмиттером, что приводит к повышению стоимости схемы. Кроме того, в известных преобразователях сравнительно велики потери мощности. Все это ограничивает КПД и надежность преобразователей, увеличивает их массу и габариты, ограничивает область их применения.

Наиболее близким к предложенному является преобразователь постоянного напряжения, содержащий выполненный по двухтактной схеме ключевой усилитель на транзисторах, трансформатор тока с первичной обмоткой, включенной в цепь выходных выводов, вторичными и дополнительными обмотками и управляющий каскад, выполненный по двухтактной схеме на управляющих транзисторах, входы которых являются управляющими входами, управляющий трансформатор, последовательные цепочки диодов и коммутирующие ключи, причем транзисторы двухтактного ключевого усилителя включены по схеме с общей базой, вторичные обмотки трансформатора тока зашунтированы последовательными цепочками диодов и включены параллельно базо-эмиттерным переходам транзисторов ключевого усилителя через коммутирующие ключи, входы которых соединены соответственно со второй и третьей обмоткой управляющего трансформатора, первичная обмотка которого подключена к выходу управляющего каскада, а четвертая обмотка управляющего трансформатора соединена с дополнительной обмоткой трансформатора тока [3] .

Недостатком известного преобразователя является возникновение "сквозных" токов, особенно при работе в режиме холостого хода, что приводит к снижению надежности работы преобразователя и повышению потерь мощности в транзисторах ключевого усилителя.

Целью изобретения является повышение надежности путем исключения "сквозных" токов при работе в режиме холостого хода.

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователе постоянного напряжения, содержащем выполненный по двухтактной схеме ключевой усилитель на транзисторах, трансформатор тока с первичной обмоткой, включенной в цепь выходных выводов, вторичными и дополнительными обмотками и управляющий каскад, выполненный по двухтактной схеме на управляющих транзисторах, входы которых являются управляющими входами, управляющий трансформатор, последовательные цепочки диодов и коммутирующие ключи, причем транзисторы двухтактного ключевого усилителя включены по схеме с общей базой, вторичные обмотки трансформатора тока зашунтированы последовательными цепочками диодов и включены параллельно базо-эмиттерным переходам транзисторов ключевого усилителя через коммутирующие ключи, входы которых соединены соответственно со второй и третьей обмоткой управляющего трансформатора, первичная обмотка которого подключена к выходу управляющего каскада, а четвертая обмотка управляющего трансформатора соединена с дополнительной обмоткой трансформатора тока, выходные выводы ключевого усилителя подсоединены к первичной обмотке введенного выходного трансформатора, каждая из дополнительных обмоток которого через введенные диоды подсоединена к управляющему переходу соответствующего коммутирующего ключа.

На чертеже приведен предлагаемый преобразователь постоянного напряжения.

Преобразователь постоянного напряжения содержит выполненный по двухтактной (полумостовой) схеме ключевой усилитель на транзисторах 1 и 2, трансформатор тока 3 с первичной обмоткой 4, включенной в цепь выходных выводов 5 и 6, вторичными 7 и 8 и дополнительной 9 обмотками, и управляющий каскад, выполненный по двухтактной схеме на управляющих транзисторах 10 и 11, входы которых являются управляющими входами 12 и 13, управляющий трансформатор 14, последовательные цепочки диодов 15,16 и 17,18 и коммутирующие ключи 19 и 20. Причем транзисторы 1 и 2 двухтактного ключевого усилителя включены по схеме с общей базой, вторичные обмотки 7 и 8 трансформатора тока 3 зашунтированы последовательными цепочками диодов 15, 16 и 17, 18 и включены параллельно базо-эмиттерным переходам транзисторов 1 и 2 ключевого усилителя через коммутирующие ключи 19 и 20, входы которых соединены соответственно со второй 21 и третьей 22 обмоткой управляющего трансформатора 14, первичная обмотка 23 которого подключена к выходу управляющего каскада, а четвертая 24 обмотка управляющего трансформатора 14 соединена с дополнительной обмоткой 9 трансформатора тока 3. Выходные выводы 5 и 6 ключевого усилителя подсоединены к первичной обмотке 25 выходного трансформатора 26, каждая из дополнительных обмоток 27 и 28 которого через диоды 29 и 30 подсоединена к управляющему переходу соответствующего коммутирующего ключа 19 и 20. Вторая стойка полумостовой схемы ключевого усилителя образована конденсаторами 31 и 32. Диоды 33 и 34 являются рекуперационными.

Преобразователь постоянного напряжения работает следующим образом.

При подаче постоянного напряжения на цепи питания и переменного напряжения прямоугольной формы на управляющие входы 12 и 13 управляющих транзисторов 10 и 11 на первичной обмотке 23 управляющего трансформатора 14 формируется переменное напряжение, которое со второй 21 и третьей 22 обмоток поступает на управляющие переходы коммутирующих ключей 19 и 20, а с обмотки 24 на обмотку 9 трансформатора тока 3. Транзисторы 19 и 20 начинают попеременно открываться и закрываться. Например, при открывающем напряжении на коммутирующем транзисторе 19 через транзистор 1, обмотку 7 трансформатора тока 3, коммутирующий ключ 19, обмотку 4 трансформатора тока 3, выходные выводы 5,6 и первичную обмотку 25 трансформатора 26 начинает протекать ток. Далее в первый полупериод управляющего напряжения этот ток протекает через конденсатор 32. Ток в обмотке 7 трансформатора тока 3 больше тока в обмотке 4 на величину тока базы. При использовании биполярных транзисторов 1 и 2 с коэффициентом насыщения 1,5-2 соотношение токов в обмотках 7 и 4 будет 1,2: 1, при этом соотношение витков в обмотках 7 и 4 должно быть 1: 1,2. Т. е. трансформатор тока 3 имеет по коллекторным и базовым обмоткам коэффициент трансформации, близкий к 1, что позволяет обеспечить наилучшую магнитную связь для реализации блокинг-процесса (процесса-переключения). Протекание тока нагрузки на обмотке 4 трансформатора тока 3 обеспечивает надежный режим насыщения транзистора 1 через обмотку 7 и коммутирующий ключ 19.

При смене полярности управляющего напряжения на управляющих входах 12 и 13 во втором полупериоде коммутирующие ключи 19 и 20 переключаются: ключ 19 закрывается, а ключ 20 открывается. При этом эмиттерный ток транзистора 1 устремляется через коллекторно-базовый переход транзистора 1, обмотку 4 трансформатора тока 3 и нагрузку (первичную обмотку 25 трансформатора 26). При этом ток, наводимый в обмотке 7 трансформатора тока 3, закорачивается через диоды 15,16. На другой обмотке 8 трансформатора тока 3 фиксируется запирающее напряжение, равное прямому падению напряжения на диодах 15, 16, для транзистора 2, которое передается на базо-эмиттерный переход транзистора 2 через коммутирующий ключ 20. В течение времени рассасывания коллекторного перехода транзистора 1 транзистор 2 блокируется отрицательным напряжением на обмотке 8 трансформатора тока 3. После запирания транзистора 1 ток через обмотку 7 трансформатора тока 3 прекращается. Начинается циркуляция (рекуперация) реактивного тока нагрузки через диод 34. Транзистор 2 открывается по базо-эмиттерному переходу положительным потенциалом напряжения, передаваемым обмоткой 9 трансформатора тока 3 в обмотку 8. После запирания рекуперационного диода 34 начинается увеличение тока нагрузки и развитие блокинг-процесса, при котором транзистор 2 насыщается и поддерживается в этом состоянии током, протекающим через обмотку 4 трансформатора тока 3. Далее в элементах 2,8,17,18,20,31,33 происходят процессы, аналогичные тем, которые происходили в предыдущий полупериод в элементах 1,7,15,16,19,32,34. При смене полярности напряжения на управляющих входах 12 и 13 от периода к периоду управляющего напряжения все процессы повторяются и происходят аналогично.

Транзисторы 1 и 2 включены по схеме с общей базой, что повышает их быстродействие и надежность в динамических режимах (в режимах переключения). В преобразователе реализуется режим эмиттерной коммутации и пропорционально-токового управления транзисторами 1 и 2, что позволяет обеспечить необходимую траекторию переключения транзисторов, снизить потери мощности и повысить надежность преобразователя.

Дополнительные диоды 29 и 30 и дополнительные обмотки 27 и 28 трансформатора 26 служат для исключения режима "сквозного" тока. Происходит это следующим образом. Если, например, в предыдущий полупериод управляющего напряжения был открыт транзистор 1, а транзистор 2 был закрыт, то после смены полярности управляющего напряжения, поступающего на управляющие входы 12 и 13, коммутирующий ключ 19 закрывается и начинается процесс рассасывания коллекторного перехода транзистора 1, как описано выше. При этом, в соответствии с фазностью напряжений на обмотках 27 и 28 трансформатора 26 на обмотке 28 присутствует отпирающее напряжение для диода 30, через который шунтируется (блокируется) управляющий переход коммутирующего ключа 20 и он, как и транзистор 2, поддерживается в закрытом состоянии до тех пор, пока не закроется транзистор 1 и не изменится полярность напряжения на обмотках трансформатора 26, в данном случае на обмотке 28. На обмотке 28 появляется запирающее напряжение для диода 30 на всю оставшуюся часть периода. В другой полупериод управляющего напряжения происходят аналогичные процессы в обмотке 27 и диоде 29.

Таким образом, в преобразователе постоянного напряжения исключен режим "сквозного" тока, что повышает КПД и надежность преобразователя. (56) 1. В. Моин и др. Стабилизированные транзисторные преобразователи. М. , Энергия, 1972, с. 112, рис. 5-5 б, г.

2. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры/Под ред. г. Г. Найвельта, М. , "Радио и связь", 1985, с. 407, р. 10.4.

3. Авторское свидетельство СССР N 1821883, кл. H 02 M 7/538, 1990.