RU95415U1

RU95415U1 - PULSE VOLTAGE STABILIZER

Info

Publication number: RU95415U1
Application number: RU2009123072/22U
Authority: RU
Inventors: Константин Владимирович Баев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Торнадо Модульные Системы" (ООО "Торнадо Модульные Системы")
Priority date: 2009-06-16
Filing date: 2009-06-16
Publication date: 2010-06-27

Abstract

Импульсный стабилизатор напряжения, содержащий регулирующий транзистор, входом подключенный к управляющему блоку и соединенный последовательно с LC-фильтром, который шунтирован первым диодом со стороны регулирующего транзистора, и дополнительный дроссель, шунтированный вторым диодом, который включен последовательно в цепь первого диода, причем второй диод включен в том же направлении, что и первый диод, отличающийся тем, что последовательно со вторым диодом включен резистор, шунтированный дополнительным конденсатором. A pulse voltage regulator comprising a control transistor connected in input to a control unit and connected in series with an LC filter, which is shunted by the first diode on the side of the control transistor, and an additional inductor, shunted by the second diode, which is connected in series to the circuit of the first diode, the second diode being connected in the same direction as the first diode, characterized in that a resistor shunted by an additional capacitor is connected in series with the second diode.

Description

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в устройствах питания электронной аппаратуры.The invention relates to the field of radio engineering and can be used in power devices of electronic equipment.

Импульсные стабилизаторы напряжения применяют для стабилизации выходного напряжения источника питания и имеют более высокий КПД по сравнению с линейными. Для уменьшения габаритов и массы стабилизаторов применяют метод увеличения частоты импульсов управления. Стабилизаторы могут быть повышающими и понижающими.Switching voltage stabilizers are used to stabilize the output voltage of the power source and have a higher efficiency compared to linear ones. To reduce the size and mass of the stabilizers, the method of increasing the frequency of control pulses is used. Stabilizers can be up and down.

Известна схема импульсного стабилизатора [1] (Хоровиц, Хилл Искусство схемотехники), и импульсный стабилизатор [2] (Патент №RU 2282233) которая содержит устройство управления, силовой транзисторный ключ, дроссель, конденсатор, диод и нагрузку. Данные схемы хорошо себя зарекомендовали для использования при относительно низких питающих напряжениях, обычно, до 100 Вольт. Существуют задачи, которые требуют стабилизированного постоянного напряжения 200 и более Вольт. При столь высоких напряжениях и высокой скорости переключения силового транзистора проявляются недостатки таких схем.The known circuit of the pulse stabilizer [1] (Horowitz, Hill Art of circuitry), and a pulse stabilizer [2] (Patent No.RU 2282233) which contains a control device, power transistor switch, inductor, capacitor, diode and load. These circuits have proven themselves for use at relatively low supply voltages, usually up to 100 volts. There are tasks that require a stabilized DC voltage of 200 volts or more. With such high voltages and high switching speed of the power transistor, the disadvantages of such circuits are manifested.

Существенным недостатком таких схем является наличие импульса обратного тока при восстановлении диода, протекающего через диод и силовой транзистор в момент, когда транзистор начинает открываться. В этот момент напряжение на транзисторе еще велико, а амплитуда импульса обратного тока может превышать рабочий ток силового транзисторного ключа в несколько раз при характерной длительности 30-100 нс. При высоком питающем напряжении и большой скорости переключения силового транзистора влиянием обратного тока при восстановлении диода уже нельзя пренебречь.A significant drawback of such circuits is the presence of a reverse current pulse during restoration of the diode flowing through the diode and the power transistor at the moment when the transistor begins to open. At this moment, the voltage at the transistor is still large, and the amplitude of the reverse current pulse can exceed the operating current of the power transistor switch several times with a characteristic duration of 30-100 ns. With a high supply voltage and a high switching speed of the power transistor, the influence of the reverse current during the restoration of the diode can no longer be neglected.

Наиболее близкой к предлагаемой схеме по техническим признакам является» «Импульсный стабилизатор постоянного напряжения», авторское свидетельство №559231 (СССР), 1977 [3].The closest to the proposed circuit for technical reasons is "" Switching voltage stabilizer ", copyright certificate No. 559231 (USSR), 1977 [3].

Данный стабилизатор содержит регулирующий транзистор, входом подключенный к управляющему блоку и соединенный последовательно с LC-фильтром, который шунтирован первым диодом со стороны регулирующего транзистора и дополнительный дроссель, шунтированный вторым диодом, включенным в том же направлении, что и первый диод.This stabilizer contains a control transistor connected to the control unit by an input and connected in series with an LC filter, which is shunted by the first diode on the side of the control transistor and an additional inductor, shunted by the second diode connected in the same direction as the first diode.

Недостатком указанной схемы является существенное снижение ее эффективности при высоком питающем напряжении и большой скорости переключения силового транзистора. Это снижение эффективности обусловлено наличием собственной емкости у второго диода, достаточной, чтобы амплитуда импульса тока через силовой транзистор в момент включения стала близка к амплитуде импульса тока при обратном восстановлении первого диода без включения в схему дополнительного дросселя и второго диода.The disadvantage of this circuit is a significant decrease in its efficiency at high supply voltage and high switching speed of the power transistor. This decrease in efficiency is due to the presence of the own capacitance of the second diode, sufficient so that the amplitude of the current pulse through the power transistor at the time of switching on becomes close to the amplitude of the current pulse during the reverse recovery of the first diode without including an additional inductor and second diode in the circuit.

Задача изобретения - повышение надежности устройства за счет снижения потерь на силовом транзисторе и сохранения траектории его переключения в области безопасной работы без необходимости выбора транзистора с неоправданно большим запасом по максимально допустимому напряжению и току.The objective of the invention is to increase the reliability of the device by reducing losses on the power transistor and maintaining the trajectory of its switching in the field of safe operation without the need to select a transistor with an unjustifiably large margin for the maximum allowable voltage and current.

Поставленная задача решена за счет того, что в импульсном стабилизаторе напряжения, содержащем регулирующий транзистор, входом подключенный к управляющему блоку и соединенный последовательно с LC-фильтром, который шунтирован первым диодом со стороны регулирующего транзистора, и дополнительным дросселем, шунтированным вторым диодом, который включен последовательно в цепь первого диода, причем второй диод включен в том же направлении, что и первый диод, последовательно со вторым диодом дополнительно включен резистор, шунтированный конденсатором.The problem is solved due to the fact that in a pulse voltage regulator containing a control transistor, connected to the control unit by an input and connected in series with an LC filter, which is shunted by the first diode from the side of the control transistor, and an additional inductor, shunted by the second diode, which is connected in series in the circuit of the first diode, and the second diode is connected in the same direction as the first diode, a resistor, a shunted cond, is additionally connected in series with the second diode nsatorom.

Заявляемый стабилизатор представлен на рис 1, где регулирующий транзистор 1, входом подключенный к управляющему блоку 2 и соединенный последовательно с LC-фильтром 3 и 4 (3 - дроссель, 4 - конденсатор), который шунтирован первым диодом 5 со стороны регулирующего транзистора 1, дополнительный дроссель 6, шунтированный цепочкой из второго диода 7, резистора 8, дополнительного конденсатора 9, и нагрузка 10.The inventive stabilizer is shown in Fig. 1, where the control transistor 1 is connected to the control unit 2 by an input and connected in series with an LC filter 3 and 4 (3 is a choke, 4 is a capacitor), which is shunted by the first diode 5 from the side of the control transistor 1, additional a choke 6, shunted by a chain of a second diode 7, a resistor 8, an additional capacitor 9, and a load of 10.

Предлагаемое устройство работает следующим образом:The proposed device operates as follows:

На схему импульсного стабилизатора подается питающее напряжение.A supply voltage is applied to the pulse stabilizer circuit.

Управляющий блок 2 контролирует выходное напряжение и выдает импульсы на силовой транзисторный ключ 1 таким образом, чтобы выходное напряжение находилось в пределах заданной величины.The control unit 2 controls the output voltage and provides pulses to the power transistor switch 1 so that the output voltage is within the specified value.

После подачи питания на схему, управляющий блок 2 открывает транзистор 1 и протекающий ток через него и дроссель 3 способствует накоплению энергии в магнитном поле дросселя. Конденсатор 4 заряжается до заданного напряжения. После того как напряжение на конденсаторе 4 достигнет заданного, управляющий блок 2 закроет транзистор 1. При этом в дросселе 3 наводится ЭДС самоиндукции, которая будет стремиться поддержать ток в том же направлении и той же силы. Вследствие этого полярность напряжения на первом диоде 5 поменяется на противоположную, при этом первый диод 5 откроется. Отрицательное напряжение окажется приложенным к катоду второго диода 7 и верхнему выводу дополнительного дросселя 6. Под действием этого напряжения второй диод 7 откроется, и основной ток потечет через дополнительный конденсатор 9, заряжая его до некоторого отрицательного напряжения -U. В это время ток в дополнительном дросселе 6 будет нарастать до величины, обеспечивающей его насыщение. Дополнительный дроссель 6 достигнет насыщения, напряжение на нем упадет, при этом второй диод 7 закроется и элементы 6, 7, 8 и 9 не будут оказывать заметного влияния на ток нагрузки до тех пор, пока не начнет открываться транзистор 1. Дополнительный конденсатор 9 в это время медленно разряжается через резистор 8.After applying power to the circuit, the control unit 2 opens the transistor 1 and the flowing current through it and the inductor 3 contributes to the accumulation of energy in the magnetic field of the inductor. The capacitor 4 is charged to a predetermined voltage. After the voltage across the capacitor 4 reaches the set, the control unit 2 will close the transistor 1. In this case, the inductor EMF is induced in the inductor 3, which will tend to maintain the current in the same direction and the same force. As a result, the voltage polarity on the first diode 5 is reversed, and the first diode 5 opens. A negative voltage will be applied to the cathode of the second diode 7 and the upper terminal of the additional inductor 6. Under the influence of this voltage, the second diode 7 will open, and the main current will flow through the additional capacitor 9, charging it to some negative voltage -U. At this time, the current in the additional inductor 6 will increase to a value that ensures its saturation. The additional inductor 6 will reach saturation, the voltage across it will drop, while the second diode 7 will close and the elements 6, 7, 8 and 9 will not have a noticeable effect on the load current until the transistor 1 starts to open. An additional capacitor 9 to this time is slowly discharged through resistor 8.

В следующем такте блок управления 2 открывает транзистор 1. В этот момент времени первый диод 5 еще открыт и через ключевой транзистор 1 начинает протекать как ток дросселя 3, так и ток восстановления первого диода 5. Дополнительный дроссель 6 сдвигает пик тока восстановления первого диода 5 на время, достаточное для открывания транзистора 1, и уменьшает его по амплитуде. Эффективное подавление броска тока восстановления первого диода 5 при больших скоростях включения транзистора 1 становится возможным благодаря тому, что напряжение на дополнительном конденсаторе 9 остается близким к -U и приложено ко второму диоду 7 в обратном направлении, что уменьшает его емкость, в результате чего обратно смещенный второй диод 7 не оказывает заметного шунтирующего действия на дополнительный дроссель 6. Кроме того, после запирания первого диода 5, напряжение -U оказывается приложенным к дополнительному дросселю 6 и он быстро перемагничивается, не накладывая дополнительных временных ограничений на скважность работы транзистора 1.In the next clock step, the control unit 2 opens the transistor 1. At this point in time, the first diode 5 is still open and both the current of the inductor 3 and the recovery current of the first diode 5 begin to flow through the key transistor 1. The additional inductor 6 shifts the peak of the recovery current of the first diode 5 by enough time to open the transistor 1, and reduces it in amplitude. The effective suppression of the inrush current recovery of the first diode 5 at high turn-on speeds of the transistor 1 is made possible because the voltage on the additional capacitor 9 remains close to -U and applied to the second diode 7 in the opposite direction, which reduces its capacitance, as a result of which it is back biased the second diode 7 does not have a noticeable shunting effect on the additional inductor 6. In addition, after locking the first diode 5, the voltage -U is applied to the additional inductor 6 and it will be po remagnetized without imposing additional time constraints on the duty cycle of the transistor 1.

В конкретном приложении выбором дополнительного конденсатора 9 и резистора 8 задается оптимальная величина -U, чтобы с одной стороны - обеспечить достаточное обратное смещение второго диода 7 для уменьшения его емкости, с другой - исключить перенапряжения в схеме. В то же время, достаточная величина -U необходима, чтобы обеспечить быструю разрядку дополнительного дросселя 6 с целью не ограничивать максимальный рабочий цикл стабилизатора.In a particular application, the choice of an additional capacitor 9 and a resistor 8 sets the optimal value -U so that, on the one hand, a sufficient reverse bias of the second diode 7 is provided to reduce its capacitance, and on the other hand, to eliminate overvoltage in the circuit. At the same time, a sufficient value of -U is necessary to ensure the fast discharge of the additional inductor 6 in order not to limit the maximum duty cycle of the stabilizer.

Величину дополнительного дросселя 6 выбирают минимальной, но достаточной для того, чтобы пик броска тока при восстановлении первого диода 5 приходился на тот момент, когда транзистор 1 уже замкнется и напряжение на нем упадет до нуля (или до приемлемой величины).The value of the additional inductor 6 is chosen to be minimal, but sufficient so that the peak of the inrush current during the restoration of the first diode 5 occurs at the moment when the transistor 1 is already closed and the voltage across it drops to zero (or to an acceptable value).

Источники информации:Information sources:

1. Хоровиц П, Хилл У. Искусство схемотехники. «Мир», 1983, т.1 с.345 и 3511. Horowitz P, Hill W. The art of circuitry. "World", 1983, v. 1 p. 345 and 351

2. Импульсный стабилизатор. Патент №RU 2282233 С1. 2005 г.2. Pulse stabilizer. Patent No.RU 2282233 C1. 2005 year

3. «Импульсный стабилизатор постоянного напряжения», авторское свидетельство №559231 (СССР), 19773. "Switching constant voltage stabilizer", copyright certificate No. 559231 (USSR), 1977

Claims

A pulse voltage regulator comprising a control transistor connected in input to a control unit and connected in series with an LC filter, which is shunted by the first diode on the side of the control transistor, and an additional inductor, shunted by the second diode, which is connected in series to the circuit of the first diode, the second diode being connected in the same direction as the first diode, characterized in that a resistor shunted by an additional capacitor is connected in series with the second diode.