RU2814894C1 - Ключевой стабилизатор напряжения с трансформаторной развязкой - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано во вторичных источниках питания, а также в телекоммуникационном оборудовании для электропитания энергоемких устройств с повышенными требованиями к электромагнитной совместимости. Технический результат в части повышения надежности и упрощения схемотехнической реализации достигается путем включения первого и второго импульсных трансформаторов, первой и второй двухканальных RDC-цепей, драйверов, выполненных по мостовой схеме, управляемой фазоимпульсным преобразователем. Для расширения области применения в части обеспечения автономности использования в состав введены сервисный выпрямитель, узел сервисного электропитания и дополнительная вторичная обмотка выходного трансформатора. Применение мостовых схем драйверов с трансформаторной развязкой и введение задержки включения транзисторов через RDC-цепи непосредственно в каналах КУМ повышает надежность работы при весьма быстрых траекториях переключения в условиях упрощения схемотехнических решений. Использование специального узла сервисного электропитания с поддержкой через дополнительную обмотку выходного трансформатора улучшает автономность и расширяет область применения заявленного устройства. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Description

Изобретение относится к области преобразовательной техники и предполагается к использованию в сервисных источниках электропитания энергоемкой телекоммуникационной и радиотехнической аппаратуры с повышенными требованиями к показателям энергетической эффективности и электромагнитной совместимости.

Известны ключевые стабилизированные конверторы с трансформаторной развязкой, реализованные на мостовых схемах ключевых усилителей мощности (КУМ), использующих широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) [Мелешин В.И. Транзисторная перобазовательная техника. М.: Техносфера, 2005; Артым А.Д. Усилители класса D и ключевые генераторы в радиосвязи и радиовещании. М.: Связь, 1980]. Как правило, в таких устройствах реализуется режим «жесткой» коммутации транзисторов оконечных каскадов, связанный со сквозными токами и импульсным перезарядом емкостей ключевых элементов. Смягчить траектории изменения импульсных токов и напряжений в таких режимах можно только за счет потерь энергии в транзисторах, что связано с увеличением динамических потерь и понижением энергетической эффективности устройств сервисного электропитания

Для уменьшения динамических потерь энергии в известном устройстве [патент РФ №2447571 Преобразователь, опубл. 10.04.2021] предложена двухзвенная схема преобразования, содержащая однотактный ключевой стабилизатор напряжения (КСН) и мостовой инвертор с трансформаторным выходом, выпрямителем и выходным фильтром.

В двухзвенном преобразователе мостовая схема КУМ обеспечивает передачу через выходной трансформатор высокочастотного (ВЧ) импульсного напряжения типа «меандр», амплитуда которого определяется первичным звеном преобразования на основе однотактного КС. Такой режим мостовой схемы КУМ позволяет обеспечить противофазное управление транзисторами, например, с использованием драйвера с трансформаторным выходом [патент РФ №2267218 «Трансформатор постоянного тока», опубл. 12.07.2004]. При этом обеспечивается возможность работы на нагрузку через резонансный фильтр и выпрямитель. В результате формируются «мягкие» траектории переключений, чем достигается уменьшение динамических потерь энергии в КУМ. Однако работа первого звена КСН осуществляется в «жестких» режимах переключений, что ухудшает показатели энергетической эффективности и электромагнитной совместимости. Кроме того, наличие двух последовательных звеньев ключевого преобразования практически в два раза увеличивает потери энергии, что обуславливает понижение результирующего КПД до 90%.

В части энергетической эффективности заметным преимуществом обладают известные ключевые стабилизаторы напряжения с фазоимпульсной модуляцией (ФИМ) [Патент США №5157593, опубл. 20.10.98 и патент РФ №2586567 «Ключевой преобразователь напряжения», опубл. 19.02.2015].

Особенностью таких устройств является управление каналами КУМ, выполненными на полумостовых схемах, сигналами типа меандр, сдвинутыми во времени на длительность импульсов ШИМ. Результатом сложения импульсных напряжений каналов КУМ, включенных в мостовую схему, является разнополярное импульсное напряжение с управляемой длительностью импульсов.

Для формирования мягких траекторий переключения в известных технических решениях обеспечивается задержка фронтов импульсов управления на интервал τ_з, во время которого достигается перезаряд собственных емкостей высоковольтных полевых транзисторов КУМ с собственными обратными диодами (либо специальных блокировочных конденсаторов) за счет энергии запасенной в индуктивности специальных дросселей, замыкающих ВЧ ток. Таким образом, известные аналоги (патенты США №5157593 и РФ №2586567) позволяют обеспечить управление и стабилизацию выпрямленного выходного напряжения вторичной обмотки выходного трансформатора при уменьшении динамических потерь энергии. Однако при таком управлении исключается применение трансформаторной развязки по импульсам управления транзисторами КУМ, характеризующейся наибольшей надежностью и простотой реализации. В качестве драйверов импульсных сигналов здесь могут быть применены сравнительно сложные схемы с оптоэлектронной развязкой [патент РФ №2749278 «Ключевое устройство», опубл. 08.06.21] либо драйверы без гальванической развязки с плавающей точкой. Последние схемы имеют ограничение по предельной скорости изменения импульсного напряжения (как правило не более 3-5 В/нс) что принципиально ограничивает частоту преобразования КСН с электропитанием от силовой объектовой сети (выпрямленное напряжение до 600-700 В).

К основным недостаткам известных технических решений мостовых схем КСН с ФИМ следует также отнести возможность возникновения токов подмагничивания выходных трансформаторов, обусловленных неодинаковым распределением выходных токов первичной и вторичной обмоток в паузу между импульсами выходного напряжения выпрямителей. Кроме того, использование специальных дросселей для замыкания ВЧ тока КУМ с амплитудой, превышающей максимальную амплитуду выходного тока, необходимых для формирования плавных траекторий переключений приводит к значительному увеличению габаритов и дополнительным потерям энергии.

Отмеченные недостатки понижают энергетическую эффективность и надежность функционирования известных КСН с трансформаторным выходом наряду с ухудшением массогабаритных показателей сервисных источников электропитания.

По совокупности технических характеристик наиболее близким к предлагаемому устройству является ключевой стабилизатор напряжения с трансформаторной развязкой [патент США №5875103 Full range soft-switching DC-DC converter, опубл. 23.02.1999].

КСН-прототип основан на раздельной трансформаторной развязке импульсных напряжений с ФИМ для каждого полумостового КУМ. При этом индуктивность холостого хода каждого трансформатора может быть выбрана из условия обеспечения требуемой амплитуды ВЧ тока, необходимой для формирования «мягких» траекторий переключения, что выгодно отличает массогабаритные показатели этого КСН от известных аналогов.

Кроме того, разделение выходных трансформаторов и использование выпрямителя по параллельной схеме устраняет возможность неравномерного распределения тока в первичных и вторичных обмотках при исключении токов подмагничивания.

Структурная схема КСН-прототипа, представленная на фиг. 1, содержит фазоимпульсный преобразователь 1 (ФИП), два драйвера 2 и 3 противофазных импульсных сигналов, два ключевых усилителей мощности 4 и 5 (КУМ), емкостной делитель 6 (Дел), два выходных трансформатора 7 и 8 (Тр), выпрямитель 9 (Выпр), два дросселя 10 и 11 (Др) и конденсатор 12 (К) выходного фильтра.

Особенностью построения выходного выпрямителя 9 в устройстве-прототипе является его реализация без средней точки с параллельным сложением токов дросселей 10 и 11, протекающих через соответствующие КУМ 5 и 4.

Техническое решение, описанное в патенте США №5875103 дает возможность двукратной разгрузки вторичных обмоток при равномерном распределении тока в первичной и вторичной обмотках выходных трансформаторов 7 и 8, что выгодно отличает устройство прототип от известных технических аналогов КСН с ФИМ. Дополнительно выравнивание распределения токов может быть улучшено при использовании в устройстве-прототипе по известным правилам емкостного делителя с двумя средними выводами.

Вместе с тем к недостаткам устройства-прототипа следует отнести существенную сложность реализации драйверов 2 и 3 для передачи управляющих транзисторами сигналов при сформированной в ФИП 1 задержке фронта импульсов, что требует использования специальных схем передач импульсных сигналов управления транзисторами КУМ 4 и КУМ 5. При этом применение драйверов с плавающей точкой либо с оптоэлектронной развязкой существенно усложняет схемотехническую реализацию и ухудшает надежность работы КСН в составе устройств вторичного электропитания. Кроме того, функционирование ФИП 1 и драйверов 2, 3 в устройстве-прототипе должна поддерживаться дополнительным сервисным напряжением электропитания, что также приводит к понижению надежности и ограничивает функциональные возможности известного технического решения.

Задачей изобретения является повышение надежности при расширении области применения в преобразовательной технике в составе гальванически развязанных источников вторичного электропитания с повышенными требованиями к показателям энергетической эффективности и электромагнитной совместимости.

Технический результат изобретения заключается в использовании трансформаторной развязки по входам управления транзисторами при упрощении и повышении надежности драйверов импульсных сигналов, а также в улучшении автономности применения при исключении дополнительной поддержки сервисном напряжением от внешнего гальванически развязанного источника питания.

Технический результат в части повышения надежности достигается тем, что в известном ключевом стабилизаторе напряжения с трансформаторной развязкой, содержащем фазоимпульсный преобразователь с первыми и вторыми прямыми и инверсными выходами, которые включены через первый и второй драйверы к первому и второму КУМ, каждый из которых выполнен по полумостовой схеме на высоковольтных полевых транзисторах с собственными обратными диодами и блокировочными емкостями, выводы электропитания которых соединены с выводами емкостного делителя и с шинами силового электропитания, а выходы - через первичные обмотки первого и второго выходных трансформаторов, соответственно, со средними выводами емкостного делителя, причем вторичные обмотки выходных трансформаторов включены последовательно между входами выходного выпрямителя и первыми выводами первого и второго дросселей, вторые выводы которых соединены с первой шиной нагрузки и первым выводом выходного конденсатора, второй вывод которого соединен со второй шиной нагрузки и выходом выходного выпрямителя, введены новые признаки, а именно: в его состав введены первый и второй импульсные трансформаторы, первая и вторая двуканальные RDC-цепи, а драйверы выполнены по мостовой схеме, управляемой первыми и вторыми противофазными импульсными сигналами с выходов фазоимпульсного преобразователя, причем выходы первого и второго драйверов подключены к первичным обмоткам первого и второго импульсных трансформаторов, противофазные вторичные обмотки которых соединены через каналы первой и второй RDC-цепей с первыми и вторыми входами, соответственно, первого и второго КУМ, при этом входы сервисного электропитания драйверов соединены с выводами электропитания фазоимпульсного преобразователя и с шинами сервисного электропитания.

Для расширения области применения в части обеспечения автономности использования в состав ключевого стабилизатора напряжения с трансформаторным выходом дополнительно введены сервисный выпрямитель и узел сервисного электропитания, вводы положительного и отрицательного первичного электропитания которого подключены к шинам силового электропитания, выходы - к шинам сервисного электропитания, а вводы положительного и отрицательного напряжения дополнительного электропитания - через сервисный выпрямитель к дополнительной вторичной обмотке выходного трансформатора.

Наилучший результат достигается, если узел сервисного электропитания содержит емкостной накопитель, ограничитель, источник опорного напряжения, релейный элемент, схему задержки, ключевой элемент и стабилизатор напряжения, выводы отрицательного первичного и дополнительного электропитания подключены к общей шине, соединенной с общими выводами стабилизатора напряжения, ограничителя, источника опорного напряжения и емкостного накопителя, ввод которого подсоединен к вводу положительного первичного электропитания, а вывод - с выводом положительного напряжения дополнительного электропитания, входами ограничителя, источника опорного напряжения, ключевого элемента и релейного элемента, другой вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения, а выход - ко входу схемы задержки, выход которой соединен с входом управления ключевого элемента, вывод которого подключен к входу стабилизатора напряжения, и с выходом управления узла сервисного электропитания, подключенного к входу управления фазоимпульсного преобразователя, который снабжен схемой разрешения, включенной в цепи прохождения первых и вторых прямых и инверсных сигналов управления, вход управления которой подключен через вход управления фазоимпульсным преобразователем к выходу управления узла сервисного питания.

Введение совокупности дополнительных блоков и связей при соответствующем выборе параметров обеспечивает достижение заявленного технического результата. Применение мостовых схем драйверов с трансформаторной развязкой и введение задержки включения транзисторов через RDC-цепи непосредственно каналах КУМ повышает надежность работы при весьма быстрых траекториях переключения в условиях упрощения схемотехнических решений ключевого стабилизатора напряжения с трансформаторной развязкой. Использование специального узла сервисного электропитания с поддержкой через дополнительную обмотку выходного трансформатора улучшает автономность и расширяет область применения заявленного устройства в системах и трактах электропитания энергоемкой телекоммуникационной и радиотехнической аппаратуры. Предложенная реализация узла сервисного электропитания обеспечивает начальное включение от высокого напряжения первичной сети с последующей поддержкой на уровне низковольтного сервисного электропитания с трансформаторной развязкой и реализует безопасное отключение в аварийной ситуации с последующим плавным запуском, что повышает надежность функционирования устройства при резком сбросе и последующем восстановлении высокого напряжения силового электропитания.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1-6, где на фиг. 1 и 2 приведены структурные схемы КСН-прототипа и заявленного КСН, на фиг. 3 - структурная схема предложенного технического решения с узлом сервисного электропитания с учетом структуры его выполнения. Принцип действия предложенного ключевого стабилизатора напряжения поясняется временными диаграммами, представленными на фиг. 4, 5 и 6.

На фиг. 4 показаны временные диаграммы сигналов, поясняющие общий принцип действия предлагаемого КСН с ФИМ в основном аналогичный принципу действия устройства-прототипа:

V_1.1, V_1.2 и V_2.1, V_2.2 - напряжение на прямом и инверсном первом и втором (V_1.1, V_1.2 и V_2.1, V_2.2) выходах ФИП 1;

Е₁, Е₂ - импульсные напряжения на выходах КУМ 1 и КУМ 2 с заданным временным сдвигом t_и, определяющим длительность импульсов суммарного импульсного напряжения V на последовательно включенных вторичных обмотках выходных трансформаторов ТД 7 и Тр 8;

V - результирующее импульсное напряжение на последовательно включенных вторичных обмотках трансформаторов ТД 7 и Тр 8;

V₁, V₂ - импульсные напряжения на выводах дросселей 10 и 11;

I_L1, I_L2 - токи через дроссели 10 и 11, формирующие суммарный ток в шинах нагрузки.

Условие формирования «мягких» траекторий переключений обеспечивается при превышении амплитуды ВЧ тока через L_к и емкостной делитель 8 максимального тока нагрузки I_н, приведенного к первичным обмоткам трансформаторов ТД 7 и Тр 8:

где E_min - минимальное напряжение силового электропитания;

Т - период переключений;

L_к - корректирующая индуктивность:

U_н - напряжение нагрузки;

R_н - сопротивление нагрузки;

K_Е=2U_н/E_min - коэффициент трансформации.

При выполнении условия (1) выходные напряжения Е₁ и Е₂ меняют свой уровень за время τ_з, обеспечивая включение транзисторов КУМ 4 и КУМ 5 при нуле напряжения и нуле тока, чем достигается уменьшение динамических потерь энергии.

Амплитуда импульсов напряжения V должна не менее чем в два раза превосходить выходное напряжение в шинах нагрузки на конденсаторе 12:

V_ам>2U_н≅K_ЕE_min

На фиг. 5 представлены временные диаграммы сигналов, поясняющие особенности формирования импульсов управления U_1.1, U_1.2 и U_2.1, U_2.2 непосредственно в цепи затвор-исток транзисторов КУМ по сигналам управления и с заданным временным сдвигом τ_з, а также плавных траекторий фронтов и спадов импульсных напряжений Е₁ (сплошные линии), Е₂ (пунктирные линии).

На фиг. 6 приведены временные диаграммы напряжений, поясняющие работу узла 18 сервисного электропитания (УСЭП) при включении и отключении высокого напряжения:

Е_п - высокое напряжение силового электропитания;

Е_н - напряжение на выходе накопителя 18.1, соединенного с выходом сервисного выпрямителя;

U_огр - напряжение ограничения, формируемое ограничителем 18.2;

Е_в - выходное напряжение сервисного выпрямителя 17, поступающего на вводы дополнительного электропитания;

V_рэ - напряжение на выходе релейного элемента (РЭ) 18.4, формируемое по результату сравнения Е_н с опорным напряжением U₀ с учетом гистерезиса Δ;

V_τ - выходное напряжение схемы задержки 18.5 с задержкой включения τ_вкл и задержкой выключения τ_откл;

V_к - напряжение на выходе ключевого элемента (КЭ) 18.6.

Пример выполнения КСН с трансформаторной развязкой представлен на фиг. 2. Узел сервисного питания 18 управляет ФИП 1, который формирует прямые и инверсные импульсы управления, поступающие на мостовые драйверы 2, 3 (МД), подключенные к импульсным трансформаторам Тр_И 13, Тр_И 16, выходы которых подключены через RDC-цепи 15, 16 (RDC) к КУМ 4, 5, выводы электропитания которых соединены с выводами емкостного делителя и с шинами силового электропитания. Первичные обмотки выходных трансформаторов 7 (ТД), 8 (Тр) одним выводом подключены к соответствующему емкостному делителю 6 (Д), другим - к выходу КУМ 4, 5. Одна из вторичных обмоток выходного трансформатора 7 и вторичная обмотка выходного трансформатора 8 включены последовательно между входами выходного выпрямителя 9, соединенными с первыми выводами дросселей 10, 11, вторые выводы которых соединены с первой шиной нагрузки и первым выводом выходного конденсатора 12, второй вывод которого соединен со второй шиной нагрузки и выходным выпрямителем 9. Выходной трансформатор 7 содержит дополнительную вторичную обмотку, которая через сервисный выпрямитель 17 подключена к узлу сервисного электропитания 18. Узел сервисного электропитания, изображенный на фиг. 3, содержит емкостной накопитель 18.1, ограничитель 18.2, источник опорного напряжения 18.3, релейный элемент 18.4, схему задержки 18.5, ключевой элемент 18.6 и стабилизатор напряжения 18.7, выходы которого соединены с выходами узла сервисного электропитания 18, вход - с выходом ключевого элемента 18.6, а общий вход с общей шиной соединенный с вводами отрицательного первичного и сервисного электропитания и общими входами источника опорного напряжения 18.3 и ограничителя 18.2 и емкостного накопителя 18.1, вход которого соединен с вводом положительного первичного электропитания, а выход - через ограничительный резистор 18.8 с входом положительного сервисного электропитания, а также с входами ограничителя 18.2, источника опорного напряжения 18.3, ключевого элемента 18.6, и релейного элемента 18.4, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения 18.3, а выход - к схеме задержки 18.5, выход которой соединен с входом управления ключевого элемента 18.6, подключенного выходом к входу стабилизатора напряжения 18.7, и с выходом управления узла сервисного электропитания 18.

Все структурные блоки, входящие в состав предлагаемого КСН с трансформаторной развязкой выполняются по известным правилам, а их совокупное использование обеспечивает достижение заявленного технического результата.

Фазоимпульсный преобразователь 1 может быть выполнен на микросхеме либо на дискретных элементах, например, в соответствии с RU 2013859 с широтно-импульсной модуляцией, определяющей требуемое выходное напряжение на нагрузке.

Драйверы 2 и 3 импульсных сигналов с ФИМ типа меандр выполняются на мостовых схемах (фиг. 2), выполненных на низковольтных быстродействующих p-n-p и n-p-n транзисторах с требуемым максимальным выходным током до 3 А, рассчитанным на сервисное напряжение питания 15 В, согласованным с уровнем выходных прямых и инверсных сигналов V₁ и V₂, формируемых ФИП 1.

Импульсные трансформаторы Тр_И 13 и Тр_И 14 должны обеспечивать передачу импульсного напряжения с выхода мостовых драйверов через каналы RDC-цепей на управление полевыми транзисторами полумостовых схем КУМ 4 и КУМ 5 при частоте ФИМ порядка 100 кГц. Такие трансформаторы выполняются на ферритовых, например, кольцевых сердечниках весьма малого габарита d≅15 мм, h≅4 мм. При заданном напряжении сервисного питания 15 В коэффициент трансформации Тр_И 13 и Тр_И 14 может быть равен K_Т=1, что обеспечивает формирование импульсных противофазных сигналов на их вторичных обмотках амплитудой до 15 В.

Двуканальные RDC-цепи 15 и 16 предназначены для обеспечения плавного заряда их конденсаторов С и емкости затвор-исток полевых транзисторов и их форсированного разряда. При этом достигается задержка включения транзисторов τ_з≅RC≅1 мкс при весьма малом времени включения (не более 50 нс).

КУМ 4 и КУМ 5 выполняются на высоковольтных полевых транзисторах, адаптированных к напряжению силового электропитания, например, от сети переменного тока 3ф 50 Гц, 380 В при E=500-600 В с допустимым выходным током более чем в 2 раза превышающим максимальный ток нагрузки, приведенный к выходам КУМ. При номинальной выходной мощности КСН 1000 Вт допустимый выходной ток транзисторов должен быть не менее 6 А.

Выходные трансформаторы ТД 7 и Тр 8 должны обеспечить гальваническую развязку и трансформацию выходного напряжения КУМ 4 и КУМ 5, согласованную с максимальным напряжением на нагрузке в условиях минимального напряжения электропитания. При этом для заданного уровня выходного напряжения U_н понижающий коэффициент трансформации K_E напряжения должен быть равен:

K_E≥2U_н/E_min

Дополнительный задачей, решаемой выходными трансформаторами ТД 7 и Тр 8, является формирование высокочастотного тока через индуктивность холостого хода первичных обмоток, необходимого для достижения «мягких» траекторий переключений во время задержки включения транзисторов в составе КУМ 4 и КУМ 5. Для этого индуктивность первичных обмоток должна соответствовать условию (1). Выходные трансформаторы такого типа могут быть выполнены на Ш-образных ферритовых сердечниках, соответствующим требуемой мощности при заданной частоте переключений и зазором для обеспечения требуемой корректирующей индуктивности.

Емкостной делитель 6 выполняется на высоковольтных высокочастотных конденсаторах, обеспечивающих замыкание ВЧ составляющих тока потребления и протекание импульсного тока нагрузки совместно с ВЧ током корректирующих индуктивностей через средний вывод емкостного делителя. Для разделения выходных токов каналов ключевого усиления предпочтительно использовать в составе емкостного делителя две стойки конденсаторов с раздельными средними выводами для первичной обмотки каждого выходного трансформатора Тр_И 7 и Тр_И 8.

Выпрямитель 9 в предлагаемом устройстве с параллельным сложением тока дросселей 10 и 11 практически выполнят функции фиксатора уровня. При этом через диоды поочередно замыкается ток от вторичных обмоток трансформаторов во время импульсов V₁ и V₂. В паузах между импульсами ток через диоды поддерживается индуктивностью соответствующих дросселей 10 и 11. При этом обратное напряжение может достигать максимального напряжения электропитания Е_п, приведенного к нагрузке через коэффициент трансформации K_Е. Выделенные факторы определяют предельно допустимые параметры диодов в условиях максимального быстродействия, что позволяется рекомендовать применение сильноточных диодов Шоттки.

Дроссели 10 и 11 должны обеспечивать фильтрацию высокочастотных составляющих напряжений V₁ и V₂ (фиг. 4) при ограничении амплитуды переменной составляющей тока на уровне не более 0,1…0,15 от максимального тока нагрузки, что определяется минимально достаточной индуктивностью:

U_min - амплитуда импульсного напряжения на входе выпрямителя при минимальном напряжении питания;

Т - период переключений;

I_н - ток нагрузки.

Выходной конденсатор 12 обеспечивает выделение постоянного напряжения U_н на шинах нагрузки, равное действующему значению импульсных напряжений V₁ и V₂. Совместно с индуктивностями дросселей 10 и 11 емкость С_ф выходного конденсатора должна образовывать фильтр нижних частот ФНЧ второго порядка с частотой среза, не превышающей 0,1ƒ, где ƒ - частота переключений КУМ. Откуда получим значение емкости фильтра.

Как правило, результирующая величина емкости фильтра дополняется емкостью нагрузки и может достигать сотней мкФ. При этом основные ВЧ составляющие тока замыкаются в емкость выходного конденсатора, что определяет требования к максимальному допустимому напряжению, превышающему номинальное напряжение на нагрузке в 2 раза при допустимой реактивной мощности, соизмеримой с номинальной выходной мощностью.

Сервисный выпрямитель 17 (СВ) (фиг. 2) предназначен для формирования дополнительного низковольтного электропитания Е_в для поддержки узла 18 сервисного электропитания в автономном режиме работы устройства. При этом на вход сервисного выпрямителя подключена дополнительная вторичная обмотка выходного трансформатора ТД 7. С учетом формирования сервисного электропитания ФИП 1 и драйверов 2, 3 напряжением 15 В напряжения на дополнительной вторичной обмотке при минимальном напряжении E_пmin должно составлять не менее 20 В. При этом для мощности потребления по сервисному напряжению не более 20 Вт выходной ток выпрямителя не превышает 2 А, что позволяет использовать в его составе низковольтные (допустимым напряжением более 60 В) и слаботочные импульсные диоды.

Узел 18 сервисного электропитания (фиг. 2 и фиг. 3) предназначен обеспечить автономную работу заявленного КСН с трансформаторной развязкой без использования дополнительного вторичного электропитания от внешнего преобразователя напряжения. Для решения этой задачи узел 18 сервисного электропитания должен обеспечить начальное включение от первичного высокого напряжения с последующим переходом к низковольтному напряжению, формируемому сервисным выпрямителем. При этом должна быть обеспечена структурная реализация узла 18 сервисного электропитания с поочередным энергоснабжением от первичного напряжения через емкостной накопитель с переходом на питание от сервисного выпрямителя при соответствующем порядке отключения при отключении первичного высоковольтного напряжения. Для выполнения указанных задач узел 18 сервисного электропитания может быть реализован в соответствии со структурной схемой, представленной на фиг. 3, принцип действия которой поясняется временными диаграммами сигналов, приведенными на фиг. 6.

Накопитель 18.1 предназначен для накопления заряда в накопительном конденсаторе С_н через резистор R_з, достаточного для начального включения устройства в условиях практически отсутствующего потребления, до напряжения Е_н, равного напряжению ограничения U_огр (фиг. 6). Полагая, что в процессе заряда ток потребления практически отсутствует, сопротивление R_з может быть выбрано, исходя из максимальной мощности потребления не более 2 Вт. Напряжение U_огр, как правило, выбирается вдвое выше, чем необходимое сервисное напряжение Е_с=15 В (U_огр=30 В) при условии его формирования линейным стабилизатором напряжения.

При этом энергия разряда емкостного накопителя в 1,5 раза (до 20 В) должна быть достаточной для начального запуска при суммарном потреблении ФИП 1 и драйверов 2 и 3 не более Р_с на время не более t_з, емкость С_н:

При допустимом напряжении 50 В такая емкость может быть реализована на достаточно малогабаритном электролитическом конденсаторе. Для выбранных параметров накопителя время t_н нарастания напряжения Е_н до установленного напряжения ограничения:

Ограничитель 18.2 предотвращает увеличение напряжения Е_н выше установленного уровня (U_огр=30 В), что может быть реализовано включением параллельно выходу накопителя 18.1 соответствующего стабилитрона.

Таким же образом может быть реализован источник 18.3 опорного напряжения, задачей которого является формирование уровня U₀, соответствующего номинальному напряжению электропитания стабилизатора напряжения СН 18.7 для сравнения с текущим значением Е_н.

Релейный элемент 18.4 должен обеспечивать формирование сигнала высокого уровня V_рэ при превышении напряжения Е_н установленного значения U₀+Δ/2 и низкого уровня при понижении до значения U₀-Δ/2 (фиг. 6), где Δ - ширина гистерезиса переключения РЭ 18.4.

Схема 18.5 задержки обеспечивает задержку фронта и спада сигнала V_рэ для формирования сигнала включения ключевого элемента 18.6. При этом время задержки фронта τ_вкл выбирается достаточным для нарастания Е_н от номинального уровня U₀+Δ/2 до напряжения U_огр, а время отключения, как правило, не превышает нескольких периодов переключений.

Ключевой элемент 18.6 предназначен для коммутации напряжения Е_н на вход стабилизатора напряжений СН 18.7 при высоком уровне сигнала V_τ, поступающего на его вход управления. КЭ 18.6 может быть выполнен на низковольтном полевом транзисторе с ограниченным максимальным выходным током, в 2-3 раза превышающим максимальный ток электропитания.

Стабилизатор 18.7 выполняется на типовом линейном стабилизаторе с выходным напряжением 15 В при входном напряжении 16-30 В и номинальным выходным током до 1 А. При этом СН 18.7 формирует необходимое сервисное напряжение при наличии выходного напряжения V_к, формируемого в момент запуска от накопителя 18.1 с последующей поддержкой напряжения Е_в с выхода сервисного выпрямителя, чем обеспечивается автономная работа предлагаемого устройства.

Ограничительный резистор 18.8 предназначен для уменьшения напряжения, поступающего с выхода сервисного выпрямителя, что необходимо для предотвращения пробоя стабилитрона 18.2.

Приведенное описание блоков из состава заявленного КСН с трансформаторной развязкой с пояснением их назначения и принципа действия, подтверждает реализуемость предлагаемого технического решения.

Заявленное устройство работает следующим образом.

При подаче высокого напряжения Е_п узел 18 сервисного электропитания обеспечивает функционирование ФИП 1 и запитывает драйверы 2, 3 необходимым сервисным напряжением. С выходов ФИП 2 противофазные сигналы и (фиг. 5) через драйверы 2 и 3 и импульсные трансформаторы 13 и 14 поступают в виде инверсных знакопеременных напряжений типа меандр амплитудой около 15 В на входы каналов двуканальных RDC-цепей 15 и 16. В результате на входах транзисторов КУМ 4 и КУМ 5 формируются напряжения U_1.1, U_1.2 и U_2.1, U_2.2 (фиг. 5), обеспечивающие поочередное включение транзисторов с задержкой τ_з достаточной для формирования «мягких» траекторий изменения напряжений Е₁ и Е₂. Изменение напряжений обеспечиваются во время τ_з за счет перезаряда собственных (блокировочных) емкостей транзисторов за счет энергии, запасенной в индуктивности холостого хода выходных трансформаторов 7 и 8, величина которой соответствует условию (1). Импульсные напряжения Е₁ и Е₂ прикладываются к первичным обмоткам выходных трансформаторов, включенным между выходами КУМ 4 и КУМ 5 и средними выводами емкостного делителя 6, и передаются на последовательно включенные вторичные обмотки, где формируется суммарное напряжение V в виде разнополярных импульсов амплитудой

V_амп≅Е_пK_Е,

где K_Е - коэффициент трансформации.

В результате на выходе выпрямителя 9 и вторыми выводами дросселей 10 и 11 формируется напряжение в шинах нагрузки, определяемое действующим значением импульсных напряжений

U_н≅t_иE_пK_Е/T, при max[t_и]=Т/2,

где Т - период переключений,

t_и - длительность импульса.

Одновременно с дополнительной вторичной обмоткой выходного трансформатора ТД 7 через сервисный выпрямитель напряжение Е_в (фиг. 6) поступает на узел сервисного электропитания, чем обеспечивается автономная работа устройства.

Для регулирования и стабилизации напряжения U_н в ФИП 1 по известным правилам (патент США №5875103) обеспечивается управление фазовым сдвигом сигналов V₁ и V₂, что приводит к изменению длительности импульсов результирующего напряжения V и соответственно изменению U_н.

При отключении высокого напряжения Е_п (фиг. 6) соответственно уменьшается напряжение Е_в на выходе сервисного выпрямителя, определяющее напряжение Е_н. В момент уменьшения напряжения Е_н ниже уровня U₀-Δ/2 срабатывает релейный элемент 18.4, что приводит к отключению сервисного напряжения. В условиях уменьшения Е_с ниже порогового значения в ФИП 1 обеспечивается перевод выходных сигналов к низкому уровню и .

В результате мостовые схемы драйверов 2 и 3 шунтируют обмотки трансформаторов, что приводит к отключению всех транзисторов КУМ 4 и КУМ 5 без аварийных ситуаций, связанных с дальнейшим понижением сервисного напряжения электропитания.

Таким образом, использование в предлагаемом устройстве трансформаторной развязки сигналов управления транзисторами каналов ключевого усиления с применением мостовых схем драйверов и двуканальных RDC-цепей обеспечивает высокое быстродействие переключения транзисторов при заданных задержках для формирования «мягких» траекторий переключений при высокой скорости изменения без нарушения устойчивости работы, присущей оптоэлектронным драйверам и драйверам с плавающей точкой, используемых в технических аналогах в устройстве-прототипе. В частности, если в известных устройствах допускается скорость изменения импульсных напряжений не более 3-5 В/нс, то в предлагаемом техническом решении достижимы скорости изменения до 10 В/нс, что позволяет повысить частоты переключений без понижения надежности работы.

В свою очередь, применение в предлагаемом устройстве дополнительной вторичной обмотки сервисного выпрямителя и узла сервисного электропитания улучшает автономность применения заявленного КСН с трансформаторной развязкой при расширении области применения изобретения.

При этом обеспечивается начальный режим включения от высокого напряжения питания через емкостной накопитель с последующей поддержкой от собственного сервисного питания. В условиях предложенного узла сервисного электропитания с формированием сигнала разрешения прохождение импульсов управления от ФИП 1 к входам мостовых схем драйверов 2 и 4 в предлагаемом устройстве реализуется безаварийный режим отключения силового питания, что не предусмотрено в известных технических аналогах и устройстве-прототипе.

Таким образом, совокупность вновь введенных признаков обеспечивает преимущества заявленного технического решения перед устройствами-аналогами и устройством-прототипом, а именно повышение надежности при использовании трансформаторных драйверов импульсных сигналов, использование которых при упрощении схемы позволяет не менее чем в два раза увеличить допустимую скорость изменения выходного импульсного напряжения КУМ и соответственно улучшить габаритные характеристики предлагаемого устройства при расширении области применения. Последнее обстоятельство достигается в том числе повышением автономности использования без необходимости дополнительного сервисного напряжения в условиях повышения надежности функционирования.

Совокупность указанных преимуществ позволяет рекомендовать настоящее изобретение к использованию для широкого класса источников вторичного электропитания средней мощности от объектовой и промышленной сети.

На предприятии изготовлены опытные образцы предлагаемого ключевого стабилизатора напряжения с трансформаторной развязкой, испытания которых подтвердили преимущество источников питания на их основе в части достижения КПД до 95-97% при удельной габаритной мощности до 700 Вт/л в условиях гальванической развязки при испытательном напряжении сопротивления изоляции более 1000 В и достижении высоких надежностных показателей, включая безаварийное экстренное выключение электропитания. Достигнутые результаты позволяют рекомендовать внедрения настоящего изобретения в приоритетных заказах предприятия.

Claims (3)

1. Ключевой стабилизатор напряжения с трансформаторной развязкой, содержащий фазоимпульсный преобразователь с первыми и вторыми прямыми и инверсными выходами, а также первый и второй ключевые усилители мощности (КУМ), каждый из которых выполнен по полумостовой схеме на высоковольтных полевых транзисторах с собственными обратными диодами и блокировочными емкостями, выводы электропитания которых соединены с выводами емкостного делителя и с шинами силового электропитания, а выходы через первичные обмотки первого и второго выходных трансформаторов, соответственно, со средними выводами емкостного делителя, причем вторичные обмотки первого и второго выходных трансформаторов включены последовательно между входами выходного выпрямителя, соединенными с первыми выводами первого и второго дросселей, вторые выводы которых соединены с первой шиной нагрузки и первым выводом выходного конденсатора, второй вывод которого соединен со второй шиной нагрузки и выходным выпрямителем, отличающийся тем, что в его состав введены первый и второй импульсные трансформаторы, первая и вторая двухканальные RDC-цепи, а драйверы выполнены по мостовой схеме, управляемой первыми и вторыми противофазными импульсными сигналами с выходов фазоимпульсного преобразователя, причем выходы первого и второго драйверов подключены к первичным обмоткам первого и второго импульсных трансформаторов, противофазные вторичные обмотки которых соединены через каналы первой и второй RDC-цепей с первыми и вторыми входами, соответственно, первого и второго КУМ, при этом входы сервисного электропитания драйверов соединены с выводами электропитания фазоимпульсного преобразователя и с шинами сервисного электропитания.

2. Ключевой стабилизатор по п. 1, отличающийся тем, что в его состав введены сервисный выпрямитель и узел сервисного электропитания, вводы положительного и отрицательного первичного электропитания которого подключены к шинам силового электропитания, выходы - к шинам сервисного электропитания, а вводы положительного и отрицательного напряжения дополнительного электропитания - через сервисный выпрямитель к дополнительной вторичной обмотке выходного трансформатора, а фазоимпульсный преобразователь включает схему разрешения, вход управления которой соединен с выходом управления узла сервисного электропитания, и схему формирования импульсных сигналов, выходы первых и вторых прямых и инверсных сигналов управления которой подключены через схему разрешения к выходам фазоимпульсного преобразователя.

3. Ключевой стабилизатор напряжения по п. 2, отличающийся тем, что узел сервисного электропитания содержит емкостной накопитель, ограничитель, источник опорного напряжения, релейный элемент, схему задержки, ключевой элемент и стабилизатор напряжения, выводы отрицательного первичного и дополнительного электропитания подключены к общей шине, соединенной с общими выводами стабилизатора напряжения, ограничителя, источника опорного напряжения и емкостного накопителя, ввод которого подсоединен к вводу положительного первичного электропитания, а вывод - с выводом положительного напряжения дополнительного электропитания, входами ограничителя, источника опорного напряжения, ключевого элемента и релейного элемента, другой вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения, а выход - ко входу схемы задержки, выход которой соединен с входом управления ключевого элемента, вывод которого подключен к входу стабилизатора напряжения, и с выходом управления узла сервисного электропитания, подключенного к входу управления фазоимпульсного преобразователя, который снабжен схемой разрешения, включенной в цепи прохождения первых и вторых прямых и инверсных сигналов управления, вход управления которой подключен через вход управления фазоимпульсным преобразователем к выходу управления узла сервисного питания.

Images