RU2031530C1

RU2031530C1 - Single-cycle constant voltage converter

Info

Publication number: RU2031530C1
Authority: RU
Inventors: Игорь Григорьевич Пономарев; Александр Геннадьевич Мясников; Игорь Владимирович Волков; Виталий Никитич Коломиец; Олег Витальевич Коломиец
Original assignee: Игорь Григорьевич Пономарев; Александр Геннадьевич Мясников; Игорь Владимирович Волков; Виталий Никитич Коломиец; Олег Витальевич Коломиец
Priority date: 1992-05-14
Filing date: 1992-05-14
Publication date: 1995-03-20

Abstract

FIELD: secondary power supply sources. SUBSTANCE: invention makes it possible to enhanced stability of output voltage and efficiency of converter by insertion of additional elements providing for reduced influence of operational modes of elements of circuit monitoring input current on circuit of measurement of output voltage and to reduce power losses across output of circuit of measurement of output voltage. Converter operates under mode of self-sustained generator under which choke 3 accumulates energy when transistor 1 is on state and it gives accumulated energy to load circuit 21 after cut-off of transistor. At moment when voltage across output of converter reaches preset level threshold circuit 17 operates and transistor 13 blanks. Further on voltage across capacitor 10 grows and as a result of increase of ohmic resistance of circuit "resistor 9 - capacitor 10" current in input and output circuits of converter decreases and its working frequency grows. Negative feedback providing for stabilization of output voltage over entire range of change of load 21 starts operating in the circuit. EFFECT: enhanced stability of output voltage and efficiency of converter. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах вторичного электропитания, в частности в сетевых источниках питания. The invention relates to electrical engineering and can be used in secondary power supply devices, in particular in network power sources.

Известен однотактный преобразователь постоянного напряжения, содержащий транзистор, включенный последовательно с первичной обмоткой дросселя и датчиком тока, цепь измерения выходного напряжения и его сравнения с напряжением, пропорциональным сигналу датчика тока, и выходную цепь [1]. Known single-ended DC voltage Converter containing a transistor connected in series with the primary winding of the inductor and a current sensor, a circuit for measuring the output voltage and its comparison with the voltage proportional to the signal of the current sensor, and the output circuit [1].

Недостаток такого преобразователя связан с тем, что сигнал датчика тока, используемый для стабилизации выходного напряжения, не обеспечивает защиту транзистора по току в переходных режимах работы преобразователя. Это приводит к снижению его надежности. Кроме того, взаимное влияние цепей измерения входного тока и выходного напряжения в ряде случаев вызывает неустойчивый режим работы преобразователя, что приводит к росту пульсаций выходного напряжения и уровня создаваемых преобразователем электромагнитных помех. The disadvantage of this converter is that the current sensor signal used to stabilize the output voltage does not protect the current transistor in transient operation of the converter. This leads to a decrease in its reliability. In addition, the mutual influence of the measuring circuits of the input current and output voltage in some cases causes an unstable mode of operation of the converter, which leads to an increase in the ripple of the output voltage and the level of electromagnetic interference generated by the converter.

Известен также однотактный преобразователь постоянного напряжения, содержащий силовой транзистор, включенный последовательно с первичной обмоткой дросселя, цепь контроля входного тока, цепь активного запирания силового транзистора, цепь измерения выходного напряжения и выходную цепь [2]. Also known is a single-cycle DC-DC converter containing a power transistor connected in series with the primary winding of the inductor, an input current control circuit, an active locking circuit of the power transistor, an output voltage measuring circuit, and an output circuit [2].

Такой преобразователь из-за влияния цепи измерения выходного напряжения на цепь контроля входного тока обычно работает в неустойчивом релейном режиме, что вызывает рост пульсаций выходного напряжения и уровня создаваемых преобразователем электромагнитных помех. Due to the influence of the output voltage measuring circuit on the input current control circuit, such a converter usually operates in an unstable relay mode, which causes an increase in output voltage ripples and the level of electromagnetic interference generated by the converter.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является преобразователь, содержащий N силовых транзисторов, включенных последовательно с первичной обмоткой дросселя, датчик входного тока, управляющий транзистор, вход которого через управляющий резистор подключен к датчику тока, цепь активного запирания силовых транзисторов, цепь измерения выходного напряжения и выходную цепь [3]. Closest to the proposed technical essence is a converter containing N power transistors connected in series with the primary winding of the inductor, an input current sensor, a control transistor, the input of which is connected to a current sensor through a control resistor, an active locking circuit of the power transistors, an output voltage measuring circuit, and output circuit [3].

Недостатком этого преобразователя является невысокая стабильность выходного напряжения в диапазоне изменения тока нагрузки, вызванная влиянием падения напряжения на управляющем резисторе на цепь измерения выходного напряжения. Кроме того, преобразователь имеет невысокий КПД в режиме малых нагрузок из-за потерь мощности на выходе цепи измерения выходного напряжения. The disadvantage of this converter is the low stability of the output voltage in the range of the load current, caused by the influence of the voltage drop across the control resistor on the output voltage measurement circuit. In addition, the converter has a low efficiency in the mode of low loads due to power losses at the output of the output voltage measuring circuit.

Цель изобретения - создание однотактного преобразователя постоянного напряжения, в котором путем введения дополнительных элементов удалось устранить влияние элементов цепи контроля входного тока на цепь измерения выходного тока, а также уменьшить потери мощности на выходе цепи измерения выходного напряжения и благодаря этому повысить стабильность выходного напряжения и КПД преобразователя. The purpose of the invention is the creation of a single-cycle DC-DC converter, in which, by introducing additional elements, it was possible to eliminate the influence of the elements of the input current control circuit on the output current measurement circuit, as well as reduce the power loss at the output of the output voltage measurement circuit and thereby increase the stability of the output voltage and the efficiency of the converter .

Для этого в однотактный преобразователь постоянного напряжения, содержащий силовую цепь, состоящую из включенных между собой последовательно по меньшей мере одного транзистора, первичной обмотки дросселя и датчика тока, включенную между входными выводами преобразователя, управляющая обмотка дросселя через резистор подключена к входу транзистора, вторичная обмотка дросселя через первый диод подключена к выходным выводам преобразователя, между которыми включен первый фильтрующий конденсатор, первая пороговая цепь, вход которой включен параллельно с датчиком тока, а выход подключен к входу транзистора, измерительная обмотка дросселя через второй диод подключена к второму фильтрующему конденсатору и входу второй пороговой цепи, введены последовательная RC-цепь, включенная параллельно с датчиком тока, дополнительный транзистор, выход которого включен параллельно с конденсатором RC-цепи, и дополнительная управляющая обмотка, подключенная через дополнительный резистор к входу дополнительного транзистора, который соединен с выходом второй пороговой цепи. To do this, in a single-cycle DC-DC converter containing a power circuit consisting of at least one transistor, a primary winding of a choke and a current sensor connected between each other in series, connected between the input terminals of the converter, the control winding of the inductor through a resistor connected to the input of the transistor, the secondary winding of the inductor through the first diode connected to the output terminals of the Converter, between which is connected the first filtering capacitor, the first threshold circuit, the input of which is included is connected in parallel with the current sensor, and the output is connected to the input of the transistor, the measuring coil of the inductor through the second diode is connected to the second filtering capacitor and the input of the second threshold circuit, a serial RC circuit connected in parallel with the current sensor, an additional transistor whose output is connected in parallel with an RC circuit capacitor, and an additional control winding connected through an additional resistor to the input of the additional transistor, which is connected to the output of the second threshold circuit.

Дополнительная управляющая обмотка дросселя может быть совмещена с измерительной обмоткой дросселя. The additional control winding of the inductor can be combined with the measuring winding of the inductor.

По сравнению с известным устройством в предлагаемом преобразователе уменьшено влияние режима работы элементов цепи контроля входного тока на цепь измерения выходного напряжения и значительно снижены потери мощности на выходе цепи измерения выходного напряжения путем введения последовательной RC-цепи, дополнительного транзистора, дополнительной управляющей обмотки, причем достигаемый эффект оказывается тем выше, чем больше коэффициент усиления дополнительного транзистора. Это дает возможность повысить стабильность выходного напряжения и КПД преобразователя. Compared with the known device in the proposed converter, the influence of the operating mode of the input current control circuit elements on the output voltage measuring circuit is reduced and the power loss at the output of the output voltage measuring circuit is significantly reduced by introducing a serial RC circuit, an additional transistor, an additional control winding, and the effect achieved It turns out that the higher, the greater the gain of the additional transistor. This makes it possible to increase the stability of the output voltage and the efficiency of the converter.

На фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - вариант схемы преобразователя с совмещенными дополнительной управляющей и измерительной обмотками дросселя; на фиг.3 - временные диаграммы токов и напряжений, поясняющие его работу. In FIG. 1 shows a circuit diagram of the proposed device; figure 2 is a variant of the Converter circuit with combined additional control and measuring windings of the inductor; figure 3 - timing diagrams of currents and voltages, explaining his work.

Преобразователь содержит транзистор 1, включенный последовательно с обмоткой 2 дросселя 3 и резистором 4, управляющая обмотка 5 дросселя 3 через резистор 6 соединена с базой транзистора 1, к которой подключен пусковой резистор 7. Параллельно с резистором 4 включены вход пороговой цепи 8 и последовательная RC-цепь, содержащая резистор 9 и конденсатор 10, управляющая обмотка 11 дросселя 3 через резистор 12 подключена к входу транзистора 13, выход которого соединен параллельно с конденсатором 10, измерительная обмотка 14 дросселя 3 через диод 15 подключена к фильтрующему конденсатору 16 и входу пороговой цепи 17, вторичная обмотка 18 дросселя 3 через диод 19 подключена к фильтрующему конденсатору 20. Позицией 21 обозначена нагрузка преобразователя. The converter contains a transistor 1 connected in series with the winding 2 of the inductor 3 and the resistor 4, the control winding 5 of the inductor 3 through the resistor 6 is connected to the base of the transistor 1, to which the starting resistor 7 is connected. In parallel with the resistor 4, the input of the threshold circuit 8 and the serial RC- are connected a circuit containing a resistor 9 and a capacitor 10, the control winding 11 of the inductor 3 through a resistor 12 is connected to the input of the transistor 13, the output of which is connected in parallel with the capacitor 10, the measuring winding 14 of the inductor 3 through the diode 15 is connected to the filtering capacitor 16 and the input of the threshold circuit 17, the secondary winding 18 of the inductor 3 is connected to the filtering capacitor 20 through a diode 19. Position 21 denotes the load of the converter.

В качестве первичного источника питания может быть использован сетевой выпрямитель, в состав которого может входить выпрямительный мост 22 и фильтрующий конденсатор 23. As a primary power source, a network rectifier can be used, which may include a rectifier bridge 22 and a filter capacitor 23.

Преобразователь работает следующим образом. The converter operates as follows.

Благодаря наличию в схеме положительной обратной связи, осуществляемой по цепи транзистор 1 - обмотка 2 дросселя 3 - обмотка 5 дросселя 3 - резистор 6 - транзистор 1 устройство работает в режиме автогенератора, возбуждение колебаний которого осуществляется автоматически, причем использование пускового резистора 7 повышает надежность его запуска. Due to the presence of positive feedback in the circuit, the transistor 1 - winding 2 of the inductor 3 - winding 5 of the inductor 3 - resistor 6 - transistor 1 the device operates in the oscillator mode, the excitation of which is carried out automatically, and the use of the starting resistor 7 increases the reliability of its launch .

В момент t_o возбуждения колебаний транзистор 1 открывается, к обмотке 2 дросселя 3 прикладывается напряжение U₁ (см. фиг.3) и напряжением обмотки 11 дросселя 3 открывается транзистор 13. Далее через обмотку 2, транзистор 1 и цепь, включающую в себя резисторы 4,9, конденсатор 10 и транзистор 13, начинает протекать линейно нарастающий ток I₁, увеличивая напряжение U₂ на резисторе 4. При этом омическое сопротивление цепи резистор 9 - конденсатор 10, транзистор 13, шунтирующий резистор 4 оказывается минимальным и примерно равным сопротивлению резистора 9 (поскольку транзистор 13 открыт).At the time t _{o of the} excitation of the oscillations, the transistor 1 opens, a voltage U _{1 is} applied to the winding 2 of the inductor 3 (see Fig. 3) and the transistor 13 opens to the voltage of the winding 11 of the inductor 3. Next, through the winding 2, the transistor 1 and the circuit, including resistors 4.9, the capacitor 10 and the transistor 13, a linearly increasing current I ₁ begins to flow, increasing the voltage U ₂ on the resistor 4. In this case, the ohmic resistance of the circuit resistor 9 - capacitor 10, transistor 13, shunt resistor 4 is minimal and approximately equal to the resistance of the resistor 9 (posk lku transistor 13 is open).

В момент t₁ напряжение U₂ достигает уровня U_n, при котором срабатывает пороговая цепь 8, вызывая закрывание транзистора 1. Поскольку сопротивление цепи, шунтирующей резистор 4, минимально, то ток I₁ в момент t₁ достигает максимально возможной величины. При этом изменяется полярность напряжения на обмотках дросселя 3, ток I₁ становится равным нулю, а в цепи обмотка 18 дросселя 3 - диод 19 - конденсатор 20 - нагрузка 21 появляется ток I₂ и далее дроссель 3 отдает накопленную энергию в цепь нагрузки 21, повышая напряжение U₃ на выходе устройства.At time t _1, voltage U ₂ reaches the level of U _n at which threshold circuit 8 is triggered, causing transistor 1 to close. Since the resistance of the circuit shunting resistor 4 is minimal, the current I ₁ at time t ₁ reaches the maximum possible value. In this case, the polarity of the voltage across the windings of the inductor 3 changes, the current I ₁ becomes equal to zero, and in the circuit the winding 18 of the inductor 3 - diode 19 - capacitor 20 - load 21, the current I ₂ appears and then the inductor 3 gives off the stored energy to the load circuit 21, increasing voltage U ₃ at the output of the device.

В момент t₂ дроссель 3 полностью отдает накопленную энергию в цепь нагрузки 21, под действием положительной обратной связи снова изменяется полярность напряжения на обмотках дросселя 3, что приводит к открыванию транзисторов 1 и 13, и процесс повторяется.At time t _2, inductor 3 completely gives up the accumulated energy to the load circuit 21, under the action of positive feedback, the polarity of the voltage across the windings of inductor 3 changes again, which leads to the opening of transistors 1 and 13, and the process repeats.

В момент t₃ напряжение U₃ на выходе преобразователя достигает заданного уровня U_вых, при котором срабатывает пороговая цепь 17, на вход которой поступает пропорциональное напряжению U₃ напряжение измерительной цепи (обмотка 14 дросселя 3, диод 15, конденсатор 16), и транзистор 13 закрывается.At time t _{3, the} voltage U ₃ at the output of the converter reaches a predetermined level U _o , at which a threshold circuit 17 is activated, the input of which receives the voltage of the measuring circuit proportional to voltage U ₃ (winding 14 of inductor 3, diode 15, capacitor 16), and transistor 13 closes.

В момент t₄, когда в очередной раз открывается транзистор 1, транзистор 13 остается закрытым и ток I₁, протекая через резисторы 4,9 и конденсатор 10, увеличивает напряжение U₄ на конденсаторе 10 и омическое сопротивление цепи резистор 9 - конденсатор 10. Поскольку величина тока I_n1, вызывающая срабатывание пороговой цепи 8, определяется соотношением
i_n1=

+

где R₁ и R₂ - величины сопротивления резисторов 4 и 9 соответственно, то увеличение напряжения U₄ приводит к уменьшению тока i_n1 и соответствующему уменьшению тока i₂ в выходной цепи преобразователя и увеличению его рабочей частоты.At time t ₄ , when transistor 1 opens again, transistor 13 remains closed and current I ₁ flowing through resistors 4.9 and capacitor 10 increases the voltage U ₄ on capacitor 10 and the ohmic resistance of the circuit, resistor 9 is capacitor 10. Since the magnitude of the current I _n1 , causing the triggering of the threshold circuit 8, is determined by the ratio
i _n1 =

+

where R ₁ and R ₂ are the resistance values of

resistors

4 and 9, respectively, then an increase in voltage U ₄ leads to a decrease in current i _n1 and a corresponding decrease in current i ₂ in the output circuit of the converter and an increase in its operating frequency.

В момент t₅ ток i_n1 достигает значения, при котором рост напряжения U₃ на выходе преобразователя прекращается, транзистор 13 приоткрывается и в схеме преобразователя начинает действовать отрицательная обратная связь за счет изменения омического сопротивления транзистора 13, поддерживающего напряжение U₄ на конденсаторе 10 на уровне, обеспечивающем поддержание напряжения U₃ на нагрузке 21 на заданном уровне U_вых. В дальнейшем преобразователь работает аналогично, стабилизируя за счет действия отрицательной обратной связи выходное напряжение U₃ во всем диапазоне изменения нагрузки 21.At time t _{5, the} current i _n1 reaches a value at which the growth of voltage U ₃ at the output of the converter stops, the transistor 13 opens slightly and negative feedback begins to act in the converter circuit due to a change in the ohmic resistance of the transistor 13, supporting voltage U ₄ at the capacitor 10 at the level , ensuring the maintenance of voltage U ₃ at the load 21 at a given level U _o . Subsequently, the converter operates in a similar way, stabilizing due to the action of negative feedback, the output voltage U ₃ in the entire range of load variation 21.

Величина сопротивления резистора 4 выбирается из условия получения необходимого выходного тока при максимальном сопротивлении нагрузки 21 и полностью закрытом транзисторе 13, а величина сопротивления резистора 9 - из условия получения необходимого выходного тока при минимальном сопротивлении нагрузки и полностью открытом транзисторе 13. The resistance value of the resistor 4 is selected from the conditions for obtaining the required output current at the maximum load resistance 21 and the transistor 13 completely closed, and the resistance value of the resistor 9 is selected from the conditions for obtaining the necessary output current at the minimum load resistance and the fully open transistor 13.

Как следует из принципа работы преобразователя, обмотки 11 и 14 дросселя 3 могут быть совмещены. Это способствует повышению технологичности изготовления дросселя 3. As follows from the principle of operation of the Converter, the windings 11 and 14 of the inductor 3 can be combined. This helps to improve the manufacturability of the inductor 3.

При использовании в качестве первичного источника питания сетевого выпрямителя 22 устройство может работать без фильтрующего конденсатора 23. В этом случае на вход преобразователя поступает низкочастотное периодически повторяющееся напряжение колоколообразной формы и преобразователь работает в режиме периодического возбуждения и срыва колебаний на каждом периоде входного напряжения, причем в промежутках между очередным срывом и возбуждением колебаний выходные ток и напряжение поддерживаются на заданном уровне за счет энергии, накапливаемой в конденсаторе 20. When used as the primary power source of the network rectifier 22, the device can operate without a filtering capacitor 23. In this case, a low-frequency periodically repeating bell-shaped voltage is supplied to the input of the converter and the converter operates in the mode of periodic excitation and breakdown of oscillations at each input voltage period, and at intervals between the next stall and excitation of the oscillations, the output current and voltage are maintained at a given level due to the energy cast in the capacitor 20.

Для уменьшения низкочастотной пульсации выходного напряжения, возникающей из-за перерывов в работе преобразователя, может быть использован дополнительный узел (например, линейный стабилизатор напряжения), включаемый между выходными выводами преобразователя и нагрузкой. To reduce the low-frequency ripple of the output voltage that occurs due to interruptions in the operation of the converter, an additional unit (for example, a linear voltage stabilizer) can be used that is connected between the output terminals of the converter and the load.

Таким образом, в предлагаемом устройстве стабилизация выходного напряжения осуществляется незначительным изменением выходного напряжения измерительной цепи (при увеличении коэффициента усиления транзистора 13 это изменение стремится к нулю), причем управление транзистором 13 осуществляется относительно небольшим током (который также уменьшается при увеличении коэффициента усиления транзистора 13), что способствует уменьшению потерь мощности на выходе цепи измерения выходного напряжения. Благодаря этому повышена по сравнению с известным устройством стабильность выходного напряжения и КПД преобразователя. Thus, in the proposed device, the stabilization of the output voltage is carried out by a slight change in the output voltage of the measuring circuit (with an increase in the gain of the transistor 13, this change tends to zero), and the transistor 13 is controlled by a relatively small current (which also decreases with an increase in the gain of the transistor 13), which helps to reduce power loss at the output of the output voltage measurement circuit. Due to this, the stability of the output voltage and the efficiency of the converter is increased compared with the known device.

Кроме того, достоинством варианта предлагаемого преобразователя, приведенного на фиг.2, является схемная простота, позволяющая снизить его массу, габариты и стоимость. Возможность работы преобразователя от сетевого выпрямителя без фильтрующего конденсатора (низкочастотного) позволяет при использовании высокочастотного входного фильтра повысить равномерность потребления тока от сети и благодаря этому повысить электромагнитную совместимость преобразователя с питающей сетью. In addition, the advantage of the variant of the proposed Converter, shown in figure 2, is the circuit simplicity, which allows to reduce its weight, dimensions and cost. The ability of the converter to operate from a mains rectifier without a filter capacitor (low-frequency) allows using the high-frequency input filter to increase the uniformity of current consumption from the network and thereby increase the electromagnetic compatibility of the converter with the mains.

Claims

1. SINGLE-STAGE DC-CONVERTER, comprising a power circuit consisting of at least one transistor connected in series, a primary reactor winding and a current sensor connected between the input terminals of the converter, a control inductor winding through a resistor connected to the transistor input, a secondary inductor winding the first diode is connected to the output terminals of the converter, between which a filter capacitor is connected, the first threshold circuit, the input of which is connected in parallel with a current sensor, and the output is connected to the input of the transistor, the measuring coil of the inductor through the second diode is connected to the second filtering capacitor and the input of the second threshold circuit, characterized in that it has a serial RS - circuit connected in parallel with the current sensor, an additional transistor, the output of which is connected in parallel with the RS capacitor, and an additional control winding connected through an additional resistor to the input of the additional transistor, which is connected to the output of the second threshold circuit.

2. The Converter according to claim 1, characterized in that the additional control winding of the inductor is combined with the measuring winding of the inductor.