RU2396686C2 - Stabilised voltage converter - Google Patents
Stabilised voltage converter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2396686C2 RU2396686C2 RU2008126760/09A RU2008126760A RU2396686C2 RU 2396686 C2 RU2396686 C2 RU 2396686C2 RU 2008126760/09 A RU2008126760/09 A RU 2008126760/09A RU 2008126760 A RU2008126760 A RU 2008126760A RU 2396686 C2 RU2396686 C2 RU 2396686C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- primary
- voltage
- winding
- power
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания.The present invention relates to a conversion technique and can be used in secondary power sources.
Известны простые и дешевые автоколебательные преобразователи напряжения, содержащие транзисторный ключ, последовательно соединенный с первичной обмоткой трансформатора, вторичная обмотка которого нагружена на выпрямитель и сглаживающий фильтр, а обмотка управления связана с входом транзисторного ключа.Known for simple and cheap self-oscillating voltage converters containing a transistor switch connected in series with the primary winding of the transformer, the secondary winding of which is loaded on a rectifier and a smoothing filter, and the control winding is connected to the input of the transistor switch.
Известные автоколебательные стабилизированные преобразователи напряжения выполняются по однотактной схеме с одним транзисторным ключом. В выходной цепи используется выпрямитель с емкостным сглаживающим фильтром. Процессы в таких преобразователях существенно зависят от величины нагрузки. В частности, при уменьшении нагрузки до нуля частота переключений многократно возрастает. На практике в таких устройствах либо используется довольно мощная подгрузка, что снижает КПД, или возникает режим с прерывистыми пачками импульсов. Последнее увеличивает пульсации выходного напряжения [1].Known self-oscillating stabilized voltage converters are single-circuit with a single transistor switch. A rectifier with a capacitive smoothing filter is used in the output circuit. The processes in such converters are significantly dependent on the magnitude of the load. In particular, when the load is reduced to zero, the switching frequency increases many times. In practice, such devices either use a rather powerful load, which reduces the efficiency, or a regime occurs with intermittent bursts of pulses. The latter increases the ripple of the output voltage [1].
Наиболее близким к предлагаемому является стабилизированный преобразователь напряжения, содержащий первый и второй транзисторные ключи, шунтированные антипараллельными диодами и подключенные к разнополярным выводам первичного источника питания, силовой трасформатор, выходные обмотки которого через выпрямитель подключены к сглаживающему фильтру, выход которого соединен с выводами для подключения нагрузки, фильтрующий конденсатор, первый вывод которого соединен с выводом первичного источника питания, а второй - с первым выводом первичной обмотки силового трансформатора, второй вывод первичной обмотки силового трансформатора соединен с общей точкой транзисторных ключей, усилитель сигнала рассогласования, первый вывод которого соединен с выходом сглаживающего фильтра, второй - с источником опорного напряжения, выход усилителя - со входом элемента гальванической развязки, а выход последнего соединен с модулирующим входом второго формирователя, выходы первого и второго формирователей подключены соответственно к управляющим входам транзисторных ключей, задающий трансформатор, первичная обмотка которого через развязывающий конденсатор одним выводом подключена к первичному источнику питания, а другим - к средней точке последовательно соединенных транзисторных ключей, управляющие входы и первый вывод которых зашунтированы соответственно резисторами, первая и вторая вторичные обмотки подключены соответственно ко вторым выводам первого и второго транзисторных ключей и к входам питания первого и второго формирователя [2].Closest to the proposed one is a stabilized voltage converter containing the first and second transistor switches, shunted by antiparallel diodes and connected to the bipolar leads of the primary power source, a power transformer, the output windings of which are connected through a rectifier to a smoothing filter, the output of which is connected to the terminals for connecting the load, filter capacitor, the first output of which is connected to the output of the primary power source, and the second to the first output primary winding of the power transformer, the second output of the primary winding of the power transformer is connected to a common point of the transistor switches, an error signal amplifier, the first output of which is connected to the output of the smoothing filter, the second is connected to the source of the reference voltage, the output of the amplifier is connected to the input of the galvanic isolation element, and the output of the last connected to the modulating input of the second driver, the outputs of the first and second drivers are connected respectively to the control inputs of the transistor switches, defining transformer, the primary winding of which through an isolation capacitor with one output connected to the primary power source, and the other to the midpoint of the series-connected transistor switches, the control inputs and the first output of which are shunted by resistors respectively, the first and second secondary windings are connected respectively to the second terminals of the first and second transistor switches and to the power inputs of the first and second shaper [2].
Однако в этом преобразователе из-за введения второго трансформатора, подключенного через развязывающий конденсатор параллельно первичной цепи силового трансформатора, возникают дополнительные потери из-за тока намагничивания задающего трансформатора. Если первичный источник питания высоковольтный, например выпрямитель сети 220 В, то задающий трансформатор должен содержать значительное число витков, что делает технологически сложным обеспечение его миниатюрности и надежности.However, in this converter, due to the introduction of a second transformer connected through an isolation capacitor parallel to the primary circuit of the power transformer, additional losses occur due to the magnetization current of the master transformer. If the primary power source is high voltage, for example a 220 V rectifier, then the master transformer must contain a significant number of turns, which makes it technologically difficult to ensure its miniature and reliability.
Если в таком преобразователе используется выпрямитель с емкостным фильтром, то при изменении тока нагрузки в широком диапазоне значительного изменения скважности генерируемых импульсов не требуется. Если используется двухтактный выпрямитель с LC-фильтром, то при изменении тока нагрузки в широком диапазоне требуется очень большое изменение скважности. Оно еще более возрастает с учетом изменения напряжения первичного источника питания.If a rectifier with a capacitive filter is used in such a converter, then when the load current changes over a wide range, a significant change in the duty cycle of the generated pulses is not required. If a push-pull rectifier with an LC filter is used, then when the load current changes over a wide range, a very large change in duty cycle is required. It increases even more with the change in voltage of the primary power source.
В этом случае в известном преобразователе, при условии поддержания постоянной частоты коммутации, приходится использовать подгрузку выхода, что снижает КПД устройства. В таком автоколебательном преобразователе затруднительно формирование минимальной длительности импульса менее 0,5-1,0 мкс. При сохранении постоянной частоты переключений и устойчивой работы на холостом ходе период переключений должен составлять 12-15 мкс. Только в этом случае можно избежать значительной подгрузки. Однако такой период переключений в режиме полной нагрузки приводит к неоправданному возрастанию габаритов трансформатора и сглаживающего фильтра.In this case, in the known converter, while maintaining a constant switching frequency, it is necessary to use output loading, which reduces the efficiency of the device. In such a self-oscillating converter, it is difficult to form a minimum pulse duration of less than 0.5-1.0 μs. While maintaining a constant switching frequency and stable idling, the switching period should be 12-15 μs. Only in this case can significant overload be avoided. However, such a switching period in full load mode leads to an unjustified increase in the dimensions of the transformer and the smoothing filter.
Техническим результатом, получаемым при осуществлении изобретения, является упрощение и удешевление преобразователя при расширении диапазона изменения тока нагрузки и повышении КПД. Это достигается тем, что из схемы исключен задающий трансформатор и развязывающий конденсатор, введен детектор напряжения, выводом питания подключенный к выходу вспомогательного выпрямителя, общей точкой - к общей точке первого формирователя, а выходом - к точке соединения выхода времязадающей RC-цепи и входа первого формирователя, в силовой трансформатор введены первая и вторая дополнительные обмотки, которые соответственно подключены ко входам питания первого формирователя, вспомогательного выпрямителя и второго формирователя и их общим точкам, а силовой трансформатор выполнен с минимальной емкостной связью между первичной и вторичной обмотками.The technical result obtained by the implementation of the invention is to simplify and reduce the cost of the Converter while expanding the range of changes in the load current and increasing efficiency. This is achieved by the fact that the driving transformer and the decoupling capacitor are excluded from the circuit, a voltage detector is introduced, the power output connected to the output of the auxiliary rectifier, the common point to the common point of the first driver, and the output to the connection point of the output of the timing RC circuit and the input of the first driver , the first and second additional windings are introduced into the power transformer, which are respectively connected to the power inputs of the first driver, auxiliary rectifier and second driver and their General points, and the power transformer is made with minimal capacitive coupling between the primary and secondary windings.
Поставленная цель достигается также тем, что детектор напряжения содержит транзистор, к базе которого подключена средняя точка резистивного делителя напряжения, эмиттер транзистора и общая точка делителя объединены, коллектор через резистор соединен с выходом детектора напряжения, вход которого соединен с выводом делителя напряжения.This goal is also achieved by the fact that the voltage detector contains a transistor, the base of which is connected to the midpoint of the resistive voltage divider, the emitter of the transistor and the common point of the divider are combined, the collector is connected through the resistor to the output of the voltage detector, the input of which is connected to the output of the voltage divider.
Поставленная цель достигается тем, что силовой трансформатор выполнен с секционированной раздельной намоткой первичной и вторичной обмоток.This goal is achieved in that the power transformer is made with a partitioned separate winding of the primary and secondary windings.
На фиг.1 приведена схема предлагаемого преобразователя напряжения; на фиг.2 - эпюры, поясняющие работу схемы; на фиг.3 - вариант выполнения детектора напряжения и входных узлов формирователя.Figure 1 shows a diagram of the proposed voltage Converter; figure 2 - diagrams explaining the operation of the circuit; figure 3 is an embodiment of a voltage detector and input nodes of the shaper.
На фиг. и в тексте приняты следующие обозначения: 1 - первый транзисторный ключ, 2 - второй транзисторный ключ, 3, 4 - антипараллельные диоды, 5 - первичный источник питания, 6 - силовой трансформатор, 7 - выходная обмотка силового трансформатора, 8 - двухтактный выпрямитель, 9 - сглаживающий LC-фильтр, 10 - нагрузка, 11 - первичная обмотка силового трансформатора, 12 - фильтрующий конденсатор, 13 - первый формирователь, 14 - второй формирователь, 15 и 16 - пусковые резисторы, 17 - усилитель сигнала рассогласования, 18 - источник опорного напряжения, 19 - элемент гальванической развязки, 20 - первая дополнительная обмотка силового трансформатора, 21 - вторая дополнительная обмотка силового трансформатора, 22 - времязадающая RC-цепь, 23 - вспомогательный выпрямитель, 24 - детектор напряжения. Времязадающая RC-цепь 22 реализована на элементах R2, C1, вспомогательный выпрямитель 23 - на элементах VD1, C2, детектор напряжения 24 - на элементах VT3, R4, R5, R6.In FIG. and the following notation is used in the text: 1 - the first transistor switch, 2 - the second transistor switch, 3, 4 - antiparallel diodes, 5 - the primary power source, 6 - power transformer, 7 - output winding of the power transformer, 8 - push-pull rectifier, 9 - smoothing LC filter, 10 - load, 11 - primary winding of the power transformer, 12 - filtering capacitor, 13 - first shaper, 14 - second shaper, 15 and 16 - starting resistors, 17 - error signal amplifier, 18 - voltage reference source , 19 - galvanic cell junction 20 - the first additional winding of the power transformer 21 - the second additional winding of the power transformer 22 - RC-time-setting circuit 23 - auxiliary rectifier 24 - voltage detector. The timing RC circuit 22 is implemented on the elements R2, C1, the auxiliary rectifier 23 - on the elements VD1, C2, the voltage detector 24 - on the elements VT3, R4, R5, R6.
Устройство содержит первый 1 и второй 2 транзисторные ключи, шунтированные антипараллельными диодами 3 и 4 и подключенные к разнополярным выводам первичного источника питания 5, силовой трансформатор 6, выходная обмотка которого 7 через двутактный выпрямитель 8 подключена к сглаживающему LC-фильтру 9, к выходу последнего и средней точке выходной обмотки 7 подключена нагрузка 10, первичная обмотка 11 силового трансформатора 6 первым выводом через фильтрующий конденсатор 12 подключена к выводу первичного источника питания 5, а вторым выводом подключена к средней точке последовательно соединенных транзисторных ключей 1 и 2, первый 13 и второй 14 формирователи, выходами соединенные с управляющими входами первого 1 и второго 2 транзисторных ключей, подключенных через пусковые резисторы 15, 16 к выводу первичного источника питания 5, первый формирователь 13, ко входу которого подключена времязадающая RC-цепь 22 и вспомогательный выпрямитель 23, соединенные с выводом первой дополнительной обмотки 20, детектор напряжения 24, вход которого подключен к выходу вспомогательного выпрямителя 23, выход - к точке соединения выхода времязадающей RC- цепи 22 и входа первого формирователя. Детектор напряжения 24 содержит транзистор VT3, к базе которого подключена средняя точка резистивного делителя напряжения R5, R6. Эмиттер транзистора VT3 и общая точка делителя R5,R6 объединены. Коллектор транзистора VT3 через резистор R4 соединен с выходом детектора напряжения 24. Вход детектора 24 соединен с выводом делителя R5, R6.The device contains first 1 and second 2 transistor switches, shunted by antiparallel diodes 3 and 4 and connected to bipolar leads of the primary power source 5, a
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
Напряжение первичного источника питания 5 поступает на транзисторные ключи 1 и 2. Благодаря наличию высокоомных пусковых резисторов 15, 16 транзисторные ключи приоткрываются, и ток начинает протекать через фильтрующий конденсатор 12 и первичную обмотку 11 силового трансформатора 6. Это приводит к появлению напряжения на дополнительных обмотках 20, 21, что, в свою очередь, активирует формирователи 13, 14, а последнее приводит к периодическому поочередному отпиранию транзисторных ключей 1 и 2. Формирователи 13, 14 с помощью времязадающих RC-цепей определяют время открытого состояния каждого из транзисторных ключей 1 и 2.The voltage of the primary power source 5 is supplied to the
Импульсы напряжения на транзисторном ключе 2 показаны на фиг.2а. Импульсы напряжения, возникающие на первичной обмотке 11 силового трансформатора 6, поступают на его вторичную обмотку 7, далее на двухтактный выпрямитель 8 и сглаживающий LC-фильтр 9. На входе фильтра 9 образуются импульсы, имеющие различную амплитуду и длительность, но равную площадь (фиг.2в). На нагрузке 10 присутствует постоянное напряжение, равное среднему значению за период от вольтсекундной площади импульсов на входе фильтра 9. При этом ток в первичной обмотке протекает постоянно (фиг.2б), а энергия через трансформатор 6 передается на выход практически непрерывно.The voltage pulses on the transistor switch 2 are shown in figa. Voltage pulses arising on the
Стабилизация выходного напряжения осуществляется с помощью усилителя сигнала рассогласования 17, который передает через элемент гальванической развязки 19 напряжение рассогласования на вход второго формирователя 14. Это напряжение воздействует на процессы во времязадающей RC-цепи 22 формирователя 14 и, следовательно, на длительность включенного состояния транзисторного ключа 1. Построение формирователей 13, 14 позволяет при уменьшении длительности импульса ключа 1 увеличивать длительность ключа 2. При этом длительность периода переключений поддерживается практически постоянной, если напряжение первичного источника питания 5 изменяется на (+10-15)%, и ток нагрузки изменяется в диапазоне (100-5)% от номинального значения.The output voltage is stabilized by means of a mismatch signal amplifier 17, which transmits a mismatch voltage through the galvanic isolation element 19 to the input of the second shaper 14. This voltage affects the processes during the RC master circuit 22 of the shaper 14 and, therefore, the duration of the on state of the
В этом преобразователе, так же как и в известном, осуществляется режим «мягкого переключения» транзисторных ключей при напряжении на них, близком к нулю, что резко снижает динамические потери и коммутационные помехи.In this converter, as well as in the known one, the mode of “soft switching” of transistor switches is carried out at a voltage close to zero, which dramatically reduces dynamic losses and switching noise.
При этом период коммутации выбирается оптимальным для минимизации объема трансформатора и элементов LC-фильтра, обеспечивающего заданный уровень пульсаций выходного напряжения.In this case, the switching period is chosen optimal to minimize the volume of the transformer and the elements of the LC filter, providing a given level of output voltage ripple.
Если ток нагрузки уменьшается от значения 5% до нуля, то изменение скважности генерируемых импульсов приводит к падению амплитуды положительных импульсов на дополнительной обмотке 20, что обнаруживается детектором напряжения 24, выход которого воздействует на выход времязадающей RC-цепи 22. Это приводит к возрастанию длительности открытого состояния транзисторного ключа 1, что, в свою очередь, приводит к дальнейшему снижению амплитуды положительных импульсов на обмотке 20. Благодаря возникновению положительной обратной связи в преобразователе скачкообразно устанавливается пониженная частота устойчивых переключений, что позволяет стабилизировать выходное напряжение при конечной длительности импульсов ключа 1 и избежать потерь мощности в подгрузке. Существенно, что, как и в известном преобразователе, во всем диапазоне изменения тока нагрузки автоматически поддерживается режим «мягкого переключения».If the load current decreases from 5% to zero, then the change in the duty cycle of the generated pulses leads to a decrease in the amplitude of the positive pulses on the
Процессы в преобразователе при отсутствии нагрузки показаны на фиг.2 г, д, е.The processes in the Converter in the absence of load are shown in Fig.2 g, d, e.
При значительных токах нагрузки напряжения на конденсаторе С2 достаточно для поддержания транзистора VT3 в открытом состоянии. Переход база - эмиттер транзистора VT2 шунтирован резисторами R3, R4, включенными параллельно. При этом длительность импульсов формирователя 13 и транзисторного ключа 1 минимальна. Если ток нагрузки преобразователя приближается к нулю, то напряжение на конденсаторе С2 снижается, транзистор VT3 запирается, и резистор R4 отключается от цепи база - эмиттер транзистора VT2. Это приводит к возрастанию длительности открытого состояния транзистора VT2, силового транзисторного ключа VT1 и периода переключений всего преобразователя. Поскольку нет необходимости в точной фиксации момента перехода на увеличенное значение периода (он может колебаться от (3-5)% до (8-10)% от номинального значения тока), то температурная стабильность детектора напряжения на транзисторе VT3 не играет существенной роли.With significant load currents, the voltage across the capacitor C2 is sufficient to maintain the transistor VT3 in the open state. The transition base - emitter of transistor VT2 is shunted by resistors R3, R4, connected in parallel. In this case, the pulse duration of the
Генерировать устойчивые автоколебания в схеме преобразователя без задающего трансформатора оказалось возможным при условии выполнения силового трансформатора с минимизированной емкостной связью между первичной и вторичной обмотками. Это условие может быть выполнено или секционированной раздельной намоткой первичной и вторичной обмоток, или намоткой обмоток на разных стержнях магнитопровода. Предпочтительной является раздельная намотка обмоток в отдельные секции каркаса как наиболее технологичная и не приводящая к увеличению габаритов и стоимости трансформатора.It was possible to generate stable self-oscillations in the converter circuit without a master transformer provided that a power transformer with a minimized capacitive coupling between the primary and secondary windings is implemented. This condition can be fulfilled either by sectioned separate winding of the primary and secondary windings, or by winding the windings on different rods of the magnetic circuit. Separate winding of the windings into separate sections of the frame is preferable as the most technologically advanced and does not lead to an increase in the size and cost of the transformer.
В настоящее время разработан и испытан макетный образец стабилизированного преобразователя напряжения с входным напряжением ~220 В, 50 Гц, и выходными параметрами 5 В, 10А. Пульсации выходного напряжения <1% от Uвых, КПД=0,8. Период переключений под нагрузкой составляет 8 мкс, при холостом ходе возрастает до 14-15 мкс. Это позволяет уменьшить потери в подгрузке до 1% от выходной мощности.A prototype stabilized voltage converter with an input voltage of ~ 220 V, 50 Hz, and output parameters of 5 V, 10A has been developed and tested. Output voltage ripple <1% of Uout, efficiency = 0.8. The switching period under load is 8 μs, at idle increases to 14-15 μs. This reduces load losses by up to 1% of power output.
Источники информацииInformation sources
1. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Справочник под. ред. Г.С.Найвельта. М.: Радио и связь, 1985 г., стр.347.1. Sources of power for electronic equipment. Directory under. ed. G.S. Naivelt. M .: Radio and communications, 1985, p. 347.
2. Гутер Л.Р. Стабилизированный преобразователь напряжения. Патент РФ №2309520, Н02М 3/338. Бюллетень «Изобретения. Полезные модели» №30, 2007 г.2. Guter L.R. Stabilized voltage converter. RF patent No. 2309520, Н02М 3/338. Bulletin “Inventions. Utility Models ”No. 30, 2007
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008126760/09A RU2396686C2 (en) | 2008-07-03 | 2008-07-03 | Stabilised voltage converter |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008126760/09A RU2396686C2 (en) | 2008-07-03 | 2008-07-03 | Stabilised voltage converter |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2008126760A RU2008126760A (en) | 2010-01-10 |
RU2396686C2 true RU2396686C2 (en) | 2010-08-10 |
Family
ID=41643736
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2008126760/09A RU2396686C2 (en) | 2008-07-03 | 2008-07-03 | Stabilised voltage converter |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2396686C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2474948C1 (en) * | 2011-10-28 | 2013-02-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение автоматики имени академика Н.А. Семихатова" | Stabilised voltage converter |
-
2008
- 2008-07-03 RU RU2008126760/09A patent/RU2396686C2/en active IP Right Revival
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2474948C1 (en) * | 2011-10-28 | 2013-02-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение автоматики имени академика Н.А. Семихатова" | Stabilised voltage converter |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2008126760A (en) | 2010-01-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3371962B2 (en) | DC-DC converter | |
CN101350565B (en) | Circuit device for implementing triode base current compesation and control method thereof | |
US7310249B2 (en) | Switching power supply circuit | |
JP2961897B2 (en) | Switching power supply | |
US4007413A (en) | Converter utilizing leakage inductance to control energy flow and improve signal waveforms | |
US6906930B2 (en) | Structure and method for an isolated boost converter | |
CN100481696C (en) | Low noise power supply method and controller therefor | |
US4593347A (en) | Blocking oscillator switched mode power supply | |
CN202183733U (en) | Power converter capable of achieving constant voltage of input end | |
RU2396686C2 (en) | Stabilised voltage converter | |
JP2001298949A (en) | Switching power circuit | |
JP2001069750A (en) | Chopper-type switching power supply | |
JP2007135337A (en) | Power supply unit | |
CN117805690B (en) | Method for detecting polarity reversal of double-active-bridge topological isolation transformer | |
SU1755353A1 (en) | Dc voltage-to-dc voltage single-cycle reverse-operation converter | |
WO2002039570A1 (en) | Switching mode power supply | |
RU2231900C2 (en) | Device for electrical isolation of signals | |
JP2003339165A (en) | Synchronous rectifying switching power unit | |
JP2990481B2 (en) | Soft switching method by primary and secondary PWM control | |
SU1141543A1 (en) | Two-step inverter | |
RU2014718C1 (en) | Device for control over gating transistor | |
SU936280A1 (en) | Stabilized one-cycle converter | |
SU1744775A1 (en) | Single-ended voltage converter | |
SU1305843A1 (en) | Transistor switch | |
RU1803958C (en) | Constant voltage converter |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
FA94 | Acknowledgement of application withdrawn (non-payment of fees) |
Effective date: 20100119 |
|
FZ9A | Application not withdrawn (correction of the notice of withdrawal) |
Effective date: 20100211 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20100704 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20130727 |