RU2043695C1

RU2043695C1 - Pulsed secondary power supply

Info

Publication number: RU2043695C1
Application number: RU92010999/07A
Authority: RU
Inventors: Николай Васильевич Антоневич; Михаил Викторович Кондратьев
Original assignee: Николай Васильевич Антоневич; Михаил Викторович Кондратьев
Priority date: 1992-11-26
Filing date: 1992-11-26
Publication date: 1995-09-10

Abstract

FIELD: radio equipment power supplies. SUBSTANCE: device has two single-ended bridge-type transistor converters coupled with control unit affording phase modulation of output signals whose power input is connected through filter to rectifier output. Secondary windings of power transformers of both single-ended bridge-type transistor converters are connected through respective power rectifier to input of output filter. Primary winding leads of additional transformer are connected to like-polarity leads of primary winding of power transformer in the first and second single-ended bridge-type transistor converters and secondary winding is connected to rectifier input. EFFECT: improved design. 3 dwg

Description

Изобретение относится к средствам вторичного электропитания, которые подключаются к источникам первичного электропитания, и могут быть использованы при преобразовании постоянного тока с одним уровнем напряжения в постоянный ток с другим уровнем напряжения с промежуточным высокочастотным преобразованием, например, в источниках питания радиотехнической аппаратуры, которая предъявляет требования гальванической развязки нагрузки и первичной сети, а также в преобразователях для плазменных технологий. The invention relates to secondary power supplies that are connected to primary power sources, and can be used to convert direct current with one voltage level to direct current with a different voltage level with intermediate high-frequency conversion, for example, in power supplies of electronic equipment that requires galvanic requirements decoupling of load and primary network, as well as in converters for plasma technologies.

В известных импульсных источниках вторичного электропитания регулирующий элемент стабилизатора напряжения (транзистор) работает в режиме переключений, поэтому значение средней за период коммутации мощности, рассеиваемой на регулирующем транзисторе, намного меньше, чем при его работе в непрерывном режиме. Поэтому КПД таких устройств достаточно высок, что делает возможным уменьшение их массогабаритных показателей. При этом наиболее распространенной импульсной системой регулирования в таких устройствах является система с широкоимпульсной модуляцией (ШИМ), в которой длительность импульсов напряжения на входе сглаживающего фильтра при постоянной частоте их следования прямо пропорциональна необходимому значению напряжения на нагрузке. In known pulsed sources of secondary power supply, the regulating element of the voltage stabilizer (transistor) operates in the switching mode, therefore, the value of the average power during the switching period dissipated by the regulating transistor is much smaller than when it is operating in continuous mode. Therefore, the efficiency of such devices is high enough, which makes it possible to reduce their overall dimensions. In this case, the most common pulse control system in such devices is a system with wide pulse modulation (PWM), in which the duration of the voltage pulses at the input of the smoothing filter at a constant repetition rate is directly proportional to the required value of the voltage at the load.

Известна схема импульсного источника вторичного электропитания с ШИМ, представляющая собой импульсный источник вторичного электропитания с бестрансформаторным входом, содержащий два полумостовых транзисторных преобразователя, связанных входами с блоком управления с ШИМ выходных сигналов, вход питания которого через фильтр подключен к выходу выпрямителя, выходы преобразователей подключены к первичной обмотке соответствующего силового трансформатора, вторичные обмотки которых через соответствующий силовой выпрямитель подключены ко входу выходного фильтра, выход которого соединен с целью нагрузки [1] Однако использование в известном устройстве ШИМ для управления транзисторами преобразователей приводит к тому, что при изменении сопротивления нагрузки от 0 до ∞, т.е. при необходимости обеспечить режим стабилизации тока в режиме К.З. на выходе, импульсы на трансформаторах становятся исчезающе короткими, что не позволяет обеспечить подзаряд конденсатора фильтра, что приводит к неустойчивой работе, вызываемой провалами в напряжении питания, вплоть до отключения устройства. A known circuit of a pulsed secondary power source with PWM, which is a pulsed secondary power source with a transformerless input, contains two half-bridge transistor converters connected by inputs to the control unit with PWM output signals, the power input of which is connected to the output of the rectifier through a filter, the outputs of the converters are connected to the primary the winding of the corresponding power transformer, the secondary windings of which are connected through the corresponding power rectifier to the input of the output filter, the output of which is connected for the purpose of the load [1] However, the use of PWM in the known device for controlling transistors of converters leads to the fact that when the load resistance changes from 0 to ∞, i.e. if necessary, provide current stabilization mode in KZ mode. at the output, the pulses on the transformers become vanishingly short, which does not allow charging the filter capacitor, which leads to unstable operation caused by dips in the supply voltage, until the device is turned off.

Кроме того, используемый принцип управления (ШИМ) требует сложной схемы управления при большом диапазоне изменения длительности импульса тока через транзистор преобразователя. In addition, the used control principle (PWM) requires a complex control circuit with a wide range of changes in the duration of the current pulse through the transistor of the converter.

Обеспечение широкого диапазона изменения длительности импульсов (вплоть до исчезающе короткой длительности) наиболее просто реализуется при использовании преобразователей с фазоимпульсной модуляции, в которых длительность открытого состояния транзистора стабильна во всех режимах изменения нагрузки преобразователя от Х.Х. до К.З. [2]
Известный импульсный источник вторичного электропитания содержит мостовой транзисторный преобразователь, связанный входами с блоком управления с фазоимпульсной модуляцией выходных сигналов, вход питания которого через фильтр подключен к выходу выпрямителя, выходы преобразователя подключены к первичной обмотке силового трансформатора, вторичная обмотка которого подключена ко входу выходного фильтра, выход которого соединен с цепью нагрузки.Providing a wide range of pulse duration changes (up to a vanishingly short duration) is most easily realized when using phase-modulation converters in which the transistor open state duration is stable in all modes of changing the converter load from X.X. to K.Z. [2]
The known pulsed secondary power supply contains a bridge transistor converter connected by inputs to a control unit with phase-pulse modulation of the output signals, the power input of which is connected through a filter to the output of the rectifier, the outputs of the converter are connected to the primary winding of the power transformer, the secondary winding of which is connected to the input of the output filter, the output which is connected to the load circuit.

В этом устройстве коммутация ключей преобразователя происходит при нулевом напряжении, т.е. напряжение сток-исток любого ключевого n-канального МОП-транзистора равно нулю, когда на его затвор подается положительное отпирающее напряжение, фазовая модуляция позволяет сочетать низкие потери на переключение, характерные для резонаторных схем, с экономичностью процесса передачи мощности схем с ШИМ, работающих на постоянной рабочей частоте. В то же время несмотря на то, что в этой схеме достигнуто снижение потерь на переключение, она не позволяет обеспечить режим стабилизации тока при К.З. на выходе, т.к. в этом режиме так и в [1] не обеспечивается необходимый уровень напряжения питания блока управления. In this device, the switching of the converter keys occurs at zero voltage, i.e. the drain-source voltage of any key n-channel MOS transistor is zero when a positive gate voltage is applied to its gate, phase modulation allows you to combine the low switching losses characteristic of resonator circuits with the efficiency of the power transmission process of PWM circuits operating on a constant operating frequency. At the same time, despite the fact that in this circuit a reduction in switching losses has been achieved, it does not allow for the stabilization mode of the current at K.Z. at the exit, as in this mode, as well as in [1], the necessary supply voltage level of the control unit is not provided.

Известен также импульсный источник вторичного электропитания, содержащий два присоединенных параллельно входным выводам однотактных мостовых преобразователя с выходными трансформаторами, первичные обмотки которых включены в диагонали переменного тока, а вторичные обмотки через однотактные выпрямители и выходной фильтр подсоединены к выходным выводам, при этом эмиттеры первых транзисторов однотактных мостовых преобразователей присоединены к отрицательному входному выводу, а коллекторы вторых транзисторов к положительному входному выводу, блок управления выполнен обеспечивающим формирование двух противофазных опорных последовательностей на базах первых транзисторов соответственно и двух противофазных регулируемых последовательностей импульсов на базах вторых транзисторов соответственно [3]
В этом устройстве обеспечивается повышение КПД и надежности, однако и данное устройство не обеспечивает неизменности уровня питания блока управления как в режиме стабилизации напряжения, так и в режиме стабилизации тока при изменении сопротивления нагрузки от ∞ до 0.A pulsed secondary power supply is also known, which contains two single-ended bridge converters connected to the input terminals in parallel with the output transformers, the primary windings of which are included in the diagonal of the alternating current, and the secondary windings are connected through the single-ended rectifiers and the output filter to the output terminals, while the emitters of the first transistors are single-ended bridge converters are connected to the negative input terminal, and the collectors of the second transistors to the positive input mu conclusion, the control unit generates two antiphase reference sequences at bases of the first transistors, respectively, and two controlled antiphase pulse trains at the bases of second transistors, respectively, [3]
This device provides increased efficiency and reliability, however, this device does not provide a constant power level of the control unit both in voltage stabilization mode and in current stabilization mode when the load resistance changes from ∞ to 0.

Задачей изобретения является обеспечение неизменности уровня питания блока управления как в режиме стабилизации напряжения, так и в режиме стабилизации тока при изменении сопротивления нагрузки от ∞ до 0. The objective of the invention is to ensure that the power level of the control unit remains unchanged both in voltage stabilization mode and in current stabilization mode when the load resistance changes from ∞ to 0.

Решение поставленной задачи обеспечивается в предлагаемом импульсном источнике вторичного электропитания, содержащем два присоединенных параллельно входным выводам однотактных мостовых преобразователя с выходными трансформаторами, первичные обмотки которых включены в диагонали переменного тока, а вторичные обмотки через однотактные выпрямители и выходной фильтр подсоединены к выходным выводам, при этом эмиттеры первых транзисторов однотактных мостовых преобразователей присоединены к отрицательному входному выводу, а коллекторы вторых транзисторов к положительному входному выводу, а блок управления выполнен обеспечивающим формирование двух противофазных опорных последовательностей импульсов на базах первых транзисторов соответственно и двух противофазных регулируемых последовательностей импульсов на базах вторых транзисторов соответственно, введением дополнительного трансформатора, выводы первичной обмотки которого присоединены к одноименным выводам первичных обмоток выходных трансформаторов однотактных мостовых преобразователей, а вторичная обмотка через введенные выпрямитель и фильтр присоединена к выводам питания блока управления, при этом блок управления выполнен обеспечивающим фазоимпульсную модуляцию формируемых двух противофазных регулируемых последовательностей импульсов относительно двух противофазных опорных последовательностей импульсов. В предлагаемом импульсном источнике вторичного электропитания блоком управления, как и в прототипе, формируются четыре управляющие последовательности импульсов: две опорные (меандры), сдвинутые друг относительно друга на 1/2 периода, и две регулируемые меандры, сдвинутые относительно опорных на интервал времени, зависящий от необходимого уровня выходной мощности Р. При Р_max сдвиг между регулируемыми и опорными меандрами τ 0, а при Р 0, τ τ /2, где Т период следования импульсов. При этом две сформированные последовательности, одна опорная, и другая регулируемая (от 0 до 1/2) относительно данной опорной последовательности подаются на базы соответственно первого и второго транзисторов одного однотактного мостового преобразователя, и аналогичные последовательности, сдвинутые относительно первой пары последовательностей, подаются на базы соответственно первого и второго транзисторов другого однотактного мостового преобразователя. При этом благодаря построению преобразователей по однотактной мостовой схеме на коллекторах первых транзисторов своих преобразователей формируются последовательности прямоугольных импульсов типа меандра, подаваемые на дополнительный трансформатор. Поскольку сигналы управления первых транзисторов однотактных мостовых преобразователей определяются опорными последовательностями, которые строго противофазны, то вне зависимости от режима изменения нагрузки (от 0 до ∞) на первичной обмотке дополнительного трансформатора формируются импульсы напряжения типа меандра с амплитудой, равной напряжению питания однотактных мостовых преобразователей, т.е. достигается постоянство уровня питания блока управления, т.е. при необходимости обеспечить в наиболее сложном режиме стабилизации тока в режиме короткого замыкания на выходе длительность импульсов разностного сигнала, выделенного с помощью дополнительного трансформатора, с транзисторов обоих однотактных мостовых преобразователей и подаваемого через выпрямитель и фильтр на блок управления, остается постоянной и близкой к Т/2.The solution to this problem is provided in the proposed pulsed source of secondary power supply, containing two parallel-connected bridge converters with output transformers connected in parallel to the input terminals, the primary windings of which are included in the diagonal of the alternating current, and the secondary windings through single-ended rectifiers and an output filter are connected to the output terminals, while the emitters the first transistors of single-phase bridge converters are connected to the negative input terminal, and the collector s of the second transistors to the positive input terminal, and the control unit is configured to generate two antiphase reference pulse sequences on the bases of the first transistors, respectively, and two antiphase adjustable pulse sequences on the bases of the second transistors, respectively, by introducing an additional transformer, the terminals of the primary winding of which are connected to the same terminals of the primary windings output transformers single-cycle bridge converters, and secondary failure through the introduced rectifier and filter is connected to the power terminals of the control unit, while the control unit is designed to provide phase-pulse modulation of the generated two out-of-phase controlled pulse sequences relative to two out-of-phase reference pulse sequences. In the proposed pulsed source of secondary power supply by the control unit, as in the prototype, four control sequences of pulses are formed: two reference (meanders) shifted relative to each other by 1/2 periods, and two adjustable meanders shifted relative to the reference by a time interval, depending on the required level of output power P. At P _{max, the} shift between the adjustable and supporting meanders is τ 0, and at P 0, τ τ / 2, where T is the pulse repetition period. In this case, two generated sequences, one reference, and the other adjustable (from 0 to 1/2) relative to this reference sequence are supplied to the bases of the first and second transistors of one single-phase bridge converter, respectively, and similar sequences shifted relative to the first pair of sequences are fed to the bases respectively, the first and second transistors of another single-cycle bridge converter. In this case, due to the construction of converters on a single-cycle bridge circuit, the collectors of the first transistors of their converters form a sequence of square-wave pulses of the meander type, supplied to an additional transformer. Since the control signals of the first transistors of single-cycle bridge converters are determined by reference sequences that are strictly out of phase, voltage pulses of the meander type with an amplitude equal to the supply voltage of single-cycle bridge converters are formed on the primary winding of the additional transformer regardless of the load change mode (from 0 to ∞), t .e. the constancy of the power level of the control unit is achieved, i.e. if necessary, in the most difficult mode of current stabilization in the short circuit mode at the output, the duration of the pulses of the difference signal extracted with the help of an additional transformer from the transistors of both single-phase bridge converters and supplied through the rectifier and filter to the control unit remains constant and close to T / 2 .

Таким образом уровень сигнала, снимаемого с выхода фильтра для получения напряжения питания блока управления остается неизменным как в режиме стабилизации напряжения, так и в режиме стабилизации тока. Thus, the level of the signal taken from the output of the filter to obtain the supply voltage of the control unit remains unchanged both in voltage stabilization mode and in current stabilization mode.

Следует отметить, что предпочтительным является подключение первичной обмотки дополнительного трансформатора к коллекторам первых транзисторов однотактных мостовых транзисторных преобразователей, т.к. при подключении первичной обмотки дополнительного трансформатора к эмиттерам вторых транзисторов однотактных мостовых транзисторных преобразователей возможно насыщение сердечников дополнительного трансформатора в переходных режимах из-за несимметричности напряжений на его первичной обмотке. It should be noted that it is preferable to connect the primary winding of the additional transformer to the collectors of the first transistors of single-cycle bridge transistor converters, since when connecting the primary winding of the additional transformer to the emitters of the second transistors of single-phase bridge transistor converters, saturation of the cores of the additional transformer in transient conditions is possible due to the asymmetry of the voltage on its primary winding.

На фиг.1 приведена схема предлагаемого импульсного источника вторичного электропитания для случая подключения первичной обмотки дополнительного трансформатора к коллекторам первых транзисторов однотактных мостовых транзисторных преобразователей; на фиг.2 принципиальная схема подключения выпрямителей к фильтру и к вторичным обмоткам силовых трансформаторов однотактных мостовых тразисторных преобразователей; на фиг.3 временные диаграммы, поясняющие работу схемы. Figure 1 shows a diagram of the proposed pulsed source of secondary power for the case of connecting the primary winding of an additional transformer to the collectors of the first transistors of single-cycle bridge transistor converters; figure 2 is a schematic diagram of the connection of rectifiers to the filter and to the secondary windings of power transformers of single-cycle bridge transistor converters; figure 3 timing diagrams explaining the operation of the circuit.

Устройство содержит блок управления 1, первый 2 и второй 3 однотактные мостовые транзисторные преобразователи, вторичные обмотки силовых трансформаторов каждого из которых подключены ко входу силового выпрямителя 4 и 5 соответственно, выходы которых соединены с входом выходного фильтра 6, подключенного к цепи нагрузки, коллекторы первого транзистора каждого из преобразователей соединены с выводами первичной обмотки дополнительного трансформатора 7, вторичная обмотка которого подключены ко входу выпрямителя 8, выход которого соединен со входом фильтра 9, выход которого подключен к входу питания блока управления 1, выходы первой и второй опорных последовательностей импульсов подключены соответственно к базам первых транзисторов первого 2 и второго 3 однотактных мостовых транзисторных преобразователей, базы вторых транзисторов которых соединены с выходами первой и второй задержанных последовательностей импульсов блока управления и соответственно, коллекторы второго транзистора первого 2 и второго 3, а эмиттеры первых транзисторов первого 2 и второго 3 однотактных мостовых транзисторных преобразователей соединены с отрицательной шиной питания. The device comprises a control unit 1, first 2 and second 3 single-cycle bridge transistor converters, the secondary windings of the power transformers of each of which are connected to the input of the power rectifier 4 and 5, respectively, the outputs of which are connected to the input of the output filter 6 connected to the load circuit, the collectors of the first transistor each of the converters are connected to the terminals of the primary winding of the additional transformer 7, the secondary winding of which is connected to the input of the rectifier 8, the output of which is connected to the filter input 9, the output of which is connected to the power input of the control unit 1, the outputs of the first and second reference pulse sequences are connected respectively to the bases of the first transistors of the first 2 and second 3 single-cycle bridge transistor converters, the bases of the second transistors of which are connected to the outputs of the first and second delayed pulse sequences the control unit and, accordingly, the collectors of the second transistor of the first 2 and second 3, and the emitters of the first transistors of the first 2 and second 3 are single-ended bridges th transistor converters are connected to the negative supply rail.

Работу предлагаемого устройства поясним с помощью временных диаграмм и рассмотрим для двух режимов: режима отдачи мощности и режима К.З. We will explain the operation of the proposed device using time diagrams and consider for two modes: power return mode and K.Z.

При работе в режиме отдачи мощности блок управления 1 вырабатывает четыре последовательности импульсов две опорные (фиг.3,а,в) и две задержанные (фиг. 3, б, г). Опорные последовательности импульсов подаются на базы первых транзисторов однотактных мостовых транзисторных преобразователей 2, 3, а задержанные последовательности импульсов на базы вторых транзисторов однотактных мостовых транзисторных преобразователей 2, 3 и в результате на силовом трансформаторе каждого однотактного мостового транзисторного преобразователя формируются прямоугольные импульсы, длительность которых зависит от сдвига задержанных последовательностей относительно опорных. Эти импульсные последовательности выпрямляются соответствующим из выпрямителей 4, 5 и на их выходе имеем последовательность импульсов (фиг.3,д). При этом на коллекторах первых транзисторов однотактных мостовых транзисторных преобразователей 2, 3 имеем противофазные импульсные последовательности, которые подаются на первичную обмотку дополнительного трансформатора 7 (фиг.3,е). Этот сигнал, снимаемый со вторичной обмотки дополнительного трансформатора 7 после двухполупериодного выпрямления выпрямителем 8 имеет вид (фиг.3,ж). Далее этот сигнал поступает через фильтр 9 на вход питания блока управления 1 (фиг.3, з). When working in the power output mode, the control unit 1 generates four sequences of pulses, two reference ones (Fig. 3, a, c) and two delayed ones (Fig. 3, b, d). The reference pulse sequences are supplied to the bases of the first transistors of single-cycle bridge transistor converters 2, 3, and the delayed sequences of pulses to the bases of the second transistors of single-cycle bridge transistor converters 2, 3 and as a result, rectangular pulses are formed on the power transformer of each single-cycle bridge transistor converter, the duration of which depends on shift delayed sequences relative to the reference. These pulse sequences are rectified by the corresponding of the rectifiers 4, 5 and at their output we have a sequence of pulses (Fig.3, d). Moreover, on the collectors of the first transistors of single-cycle bridge transistor converters 2, 3, we have antiphase pulse sequences that are fed to the primary winding of the additional transformer 7 (Fig. 3, e). This signal, taken from the secondary winding of the additional transformer 7 after half-wave rectification by the rectifier 8 has the form (figure 3, g). Further, this signal is fed through a filter 9 to the power input of the control unit 1 (Fig.3, h).

При работе в режиме К.З. импульсы, формируемые на входе фильтра 6 (фиг. 3,д), становятся "исчезающе короткими" по длительности, в то время как сигнал, формируемый на дополнительном трансформаторе 7, (фиг.3,е) остается практически неизменным. When working in K.Z. the pulses generated at the input of the filter 6 (Fig. 3, e) become "vanishingly short" in duration, while the signal generated at the additional transformer 7 (Fig. 3, e) remains almost unchanged.

Claims

PULSE SECONDARY POWER SUPPLY SOURCE, containing two single-phase bridge converters connected to the input terminals in parallel with output transformers, the primary windings of which are included in the diagonals of the alternating current, and the secondary windings through single-ended rectifiers and an output filter are connected to the output terminals, while the emitters of the first transistors are single-ended bridge transistors to the negative input terminal, and the collectors of the second transistors to the positive input terminal, block The board was designed to provide the formation of two antiphase reference pulse sequences on the bases of the first transistors, respectively, and two antiphase controlled pulse sequences on the bases of the second transistors, respectively, characterized in that an additional transformer is introduced into it, the terminals of the primary winding of which are connected to the same terminals of the primary windings of the output transformers of single-phase bridge converters, and the secondary winding through the introduced rectifier and filter p is connected to the power supply terminals of the control unit, while the control unit is designed to provide phase-pulse modulation of the generated two out-of-phase controlled pulse sequences relative to two out-of-phase reference pulse sequences.