SU1764127A1 - Преобразователь посто нного напр жени в посто нное - Google Patents

Description

1

(21)4886136/07

(22)28.11.90

(46) 23.09.92. Бюл. Мг 35

(71)Центральный научно-исследовательский радиотехнический институт

(72)В.И.Хандогин, Н.И.Стуковнин и А.В.Райкова

(56) Патент Великобритании № 195850. кл. Н 02 М 3/335, 1978.

Авторское свидетельство СССР № 1249666, кл. Н 02 М 3/335. 1984.

(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ (57) Использование: во в торичных источниках электропитани  систем радиотехники, автоматики и вычислительной техники. Сущность изобретени  : устройство содержит дроссель насыщени  (1)с двум  сердечниками (2 и 3) и с расположенными на них рабочими обмотками (4 и 5) и обмотками управлени  (6 и 7), преобразователь посто нного напр жени  в переменное (8) и вы

(Л

С

х| О

ь

а

ю

пр митель с и а груз ко и (9). Рабочие обмотки (4 и 5) дроссел  насыщени  (1) соединены последовательно и включены между выходом преобразовател  посто нного напр жени  в переменное (8) и входом выпр мител  (9). Обмотки управлени  (6 и 7) через линейный дроссель (10) и диод (11) подключены к дополнительному источнику. Два ключевых транзистора (15 и 16) через два дополнительных дроссел  насыщени  (19 и 20) подключены к диоду (11), входы ключевых транзисторов (15 и 16) соединены с дополнительным выходом преобразовател  посто нного напр жени  в переменное

Изобретение относитс  к электротехнике и используетс  во вторичных источниках питани  систем радиотехники, автоматики и вычислительной техники.

Известен преобразователь посто нного напр жени  в ток, содержащий входной трансформатор, дроссель насыщени , выпр митель и фильтр, причем обмотка управлени  соединена с узлом управлени . Недостатками данного устройства  вл ютс  низка  надежность из-за большого количества соединений дроссел  с выпр мителем и трансформаторов, отсутствие ограничени  тока по входу (из-за использовани  свободного режима намагничивани ) и низкий КПД из-за применени  линейного регулировани  тока управлени .

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности  вл етс  преобразователь посто нного напр жени  в ток, содержащий дроссель насыщени  с двум  сердечниками и с расположенными на них рабочими обмотками и обмотками управлени , преобразователь посто нного напр жени  в переменное, выпр митель с нагрузкой, причем рабочие обмотки дроссел  насыщени  соединены последовательно и включены между выходом преобразовател  посто нного напр жени  в переменное и входом выпр мител , линейный дроссель и диод, включенные последовательно с обмотками управлени  дроссел  насыщени , дополнительный источник питани , подключенный одним зажимом к одному из выводов диода, з также узел управлени  насыщением дроссел  насыщени , включающий схему сравнени , одним входом подключенную к выходу всего устройства, другим входом - к источнику эталонного напр жени , а выходом - ко входу регулирующего транзистора,

(8), вторичные обмотки (21 и 22) дополнительных дросселей насыщени  (19 и 20) через диоды (23 и 24) соединены параллельно и подключены к конденсатору (25) и регулирующему транзистору (14). Изменение тока в обмотках управлени  (6 и 7) достигаетс  изменением времени насыщенного состо ни  дополнительных дросселей (19 и 20). Надежность повышаетс  за счет выполнени  общей обмотки, размещаемой на соос- но расположенных сердечниках дроссел  насыщени  (1), выходного трансформатора и согласующего трансформатора, 6 з п. ф- лы, 9 ил.

Недостатками этого преобразовател   вл ютс : низкий КПД и надежность за счет сложности, св занные со следующими причинами:

- при изменении тока через управл ющие обмотки дроссел  насыщени  линейный дроссель должен обеспечивать непрерывный ток. При отсутствии тока к линейному дросселю прикладываетс  переменное напр жение второй гармоники переменного напр жени  преобразовател , однако из-за наличи  диода и сопротивлени  потерь в сердечнике линейного дроссел  возникает несимметричный переменный ток, который, усилива сь, поступает в нагрузку. Причем из-за линейности дроссел  (т.к. посто нства индуктивности при изменении тока через него в широких пределах ) величина этого паразитного тока может быть значительна. Дл  компенсации вли ни  этого тока вводитс  подгрузка по выходным зажимам, снижающа  КПД;

-при линейном регулировании тока через линейный дроссель на регулирующем

транзисторе выдел етс  значительна  мощность , снижающа  как КПД, так и надежность;

-при построении мощных преобразователей посто нного напр жени  в ток (например , при токах через дроссель насыщени  50-100 А и выше) возникают трудности сочленени  выводов выходного трансформатора, дроссел  насыщени , согласующего трансформатора. Обеспечение

пайкой этих сочленений затруднено, а механические соединени  снижают надежность. Цель изобретени  - повышение КПД и надежности за счет исключени  дополнительных соединений.

Поставленна  цель достигаетс , что в преобразователь посто нного напр жени 

в посто нное, содержащий дроссель насыщени  с двум  сердечниками и с расположенными на них рабочими обмотками и обмотками управлени , преобразователь посто нного напр жени  в переменное, выпр митель , соединенный с выходными выводами , причем рабочие обмотки дроссел  насыщени  соединены последовательно и включены между выходом преобразовател  посто нного напр жени  в переменное и входом выпр мител , линейный дроссель и диод, включенные последовательно с обмотками управлени  дроссел  насыщени , дополнительный источник питани , подключенный одним выводом к одному из выводом диода, а также узел управлени  насыщением дроссел  насыщени , включающий в себ  узел сравнени , одним входом подключенный к выходным выводам, другим - к источнику эталонного напр жени , а выходом - ко входу регулирующего транзистора , введены два ключевых транзистора , два дополнительных дроссел  насыщени  с первой и второй обмотками и сердечниками, отношение Br/Bs которых

равно нулю, два дополнительных диода и конденсатор, а преобразователь посто нного напр жени  в переменное снабжен дополнительным выходом по переменному току, который подключен ко входам ключевых транзисторов,коллекторов,коллекторы которых соединены через первые обмотки дополнительных дросселей насыщени  с общей точкой соединени  диода и линейного дроссел , эмиттеры ключевых транзисторов подключены ко второму выводу дополнительного источника.питани , а вторые обмотки дополнительных дросселей насыщени  соединени  параллельно через дополнительные диоды к конденсатору, параллельно которому подключен регулирующий транзистор.

Поставленна  цель достигаетс  также тем, что рабочие обмотки основного дроссел  насыщени  включены согласно, а его обмотки управлени  включены встречно.

Преобразователь посто нного напр жени  в переменное выполнен по схеме ключевого усилител  мощности с выходным трансформатором, а его выходна  обмотка соединена с первой рабочей обмоткой основного дроссел  насыщени  согласно и выполнена в виде единой обмотки, намотанной на расположенные соосно сердечник выходного трансформатора и сердечники основного дроссел  насыщени .

Между входом выпр мител  и рабочей обмоткой основного дроссел  насыщени  включен согласующий трансформатор, первична  обмотка которого включена согласно со второй рабочей обмоткой основного дроссел  насыщени  и выполнена в виде единой обмотки, намотанной на расположенные соосно сердечник согласующего 5 трансформатора и сердечники основного дроссел  насыщени .

Обмотка выходного трансформатора преобразовател  посто нного напр жени  в переменное, рабочие обмотки основного

0 дроссел  насыщени  и первична  обмотка согласующего трансформатора включены согласно и выполнены в виде единой обмотки , намотанной на расположенные соосно сердечники выходного трансформатора

5 преобразовател  посто нного напр жени  в переменное, сердечники основного дроссел  насыщени  и сердечник согласующего трансформатора.

Диод зашунтирован дополнительно

0 введенным резистором.

Сердечник линейного дроссел  выполнен составным из первого сердечника с высокой магнитной проницаемостью и второго сердечника с малой магнитной проницаемо5 стью при близких значени х индукции насыщени  Bs у обоих.

На фиг. 1 показана структурна  схема устройства; на фиг. 2-4 - принципиальные электрические схемы устройства; на фиг. 5 0 график, по сн ющий характеристики сердечников дополнительных дросселей насыщени ; на фиг. 6 - график, по сн ющий характеристики составного сердечника линейного дроссел ; на фиг. 7-9 - конструк5 тивное выполнение выходного трансформатора , основного магнитного усилител , согласующего трансформатора.

Устройство на фиг. 1 содержит дроссель насыщени  1 с двум  сердечниками 2, 3 и

0 расположенными на них рабочими обмотка ми 4,5 и обмотками управлени  6,7, преобразователь посто нного напр жени  в переменное 8, выпр митель с нагрузкой 9, причем рабочие обмотки 4,5 дроссел  насы5 щени  1 соединены последовательно и включены между выходом преобразовател  посто нного напр жени  в переменное 8 и входом выпр мител  9, линейный дроссель 10 и диод 11, включенные последовательно

0 с обмотками управлени  6,7 дроссел  насыщени  1, дополнительный источник питани  Uдоп., подключенный одним зажимом к одному из выводов диода 11. Узел управлени  12 насыщени  дроссел  насыщени  1 вклю5 чает схему сравнени  13, одним входом подключенную к выходу всего устройства, другим входом - к источнику эталонного напр жение l/эт, а выходом - ко входу регулирующего транзистора 14. Дополнительный выход по переменному току преобразовател  посто нного напр жени  в переменное 8 подключен ко входам ключевых транзисторов 15, 16, коллекторы которых соединены через первые обмотки 17, 18 дополнительных дросселей насыщени  19, 20 с общей точкой соединени  диода 11 и линейного дроссел  10, Эмиттеры ключевых транзисторов 15,16 подключены ко второму зажиму дополнительного источника питани  Удоп, а вторые обмотки 21, 22 дополнительных дросселей насыщени  19, 20 соединены параллельные через дополнительные диоды 23, 24 к конденсатору 25, параллельно которому также подключен регулирующий транзистор 14.

Диод 11 может быть зашунтирован резистором 26. Рабочие обмотки 4,5 основного дроссел  насыщени  1 включены согласно, а его обмотки управлени  6, 7 - встречно.

Фиг, 2 - преобразователь посто нного напр жени  а переменное 8 выполнен по схеме ключевого усилител  мощности с выходным трансформатором 27, сердечником 28, а его выходна  обмотка 29 соединена с первой рабочей обмоткой 4 основного дроссел  насыщени  1 согласно.

Фиг. 3 - между входом выпр мител  9 и рабочей обмоткой 5 основного дроссел  насыщени  1 включен согласующий трансформатор 30 с сердечником 31, первична  обмотка 32 которого включена согласно со второй рабочей обмоткой 5 основного дроссел  насыщени  1.

Фиг. 4 - обмотка 29 выходного трансформатора 27 преобразовател  посто нного напр жени  в переменное 8, рабочие обмотки 4, 5 дроссел  насыа ени  1 и первична  обмотка 32 согласующего трансформатора 30 включены согласно.

Преобразователь посто нного напр - хсени  в ток работает следующим образом. При подаче напр жени  питани  UBx на преобразователь посто нного напр жени  в переменное 8 сердечники 2, 3 дроссел  насыщени  1 начинают перемагничиватьс . При этом наличие в цепи обмоток управлени  дроссел  10 предопредел ет вынужденный режим перемагничивани , т.е. отсутствие состо ни  насыщени  двух сердеч ников дроссел  насыщени , При этом переменное напр жение подаетс  на ключевые транзисторы 15, 16, которые попеременно в течение периода наход тс  в состо нии насыщени  и режима отсечки. При открытом состо нии ключевого тран.зистора 15 или 16 сердечник дополнительного дроссел  насыщени  19, 20 начинает намагничиватьс  и ток через ключевой транзистор 15 определ етс  током холостого хода дроссел . При насыщении сердечника дополнительного дроссел  19 ток через ключевой транзистор 15 скачком увеличиваетс , вызыва  отключение диода 11 и поступление

тока в линейный дроссель 10 и обмотки управлени  6, 7 дроссел  насыщени  1. При смене пол рности управл ющего напр жени  на ключевых транзисторах 15, 16 начинает перемагничиватьс  до насыщени 

0 сердечник дополнительного дроссел  насыщени  20. В это врем  энергии магнитного пол  сердечника дополнительного дроссел  насыщени  19 через обмотку 21, дополнительный диод 23 поступает в конденсатор

5 25. Изменением внутреннего сопротивлени  регулирующего транзистора 14 измен етс  баланс запасенной и расходуемой энергии, поступаемой от дополнительных дросселей 19, 20. Тем самым фиксируетс 

0 интервал перемагничивани  (максимальный интервал перемагничивани  О, +Bs), что, в свою очередь, определ ет скважность работы ключевых транзисторов 15, 16 по передаче тока в линейный дроссель 10. В

5 интервале закрытого состо ни  (интервал перемагничивани  дополнительного дрос- сел  насыщени ) открыт диод 11 и обеспечиваетс  рекупераци  энергии дроссел  10 в обмотки управлени  б, 7 дроссел  насыще0 ни  1. Таким образом, линейный дроссель выполн ет две функции: элемента, сглаживающего переменную составл ющую второй гармоники и элемента ключевого стабилизатора, обеспечивающего накопле5 ние и передачу энергии в нагрузку (обмотки управлени ). При уменьшении тока через

дроссель 10 требуетс  обеспечение непрерывного тока, что, в свою очередь, гарантирует режим вынужденного намагни0 чивани . Дл  этого сердечник линейного дроссел  выполн етс  составным с параметрами сердечников, приведенных на фиг. 6, это позвол ет при малых токах иметь большое значение индуктивности, а при

5 больших, за счет насыщени  первого сердечника , меньшую, но обеспечивающую режим вынужденного намагничивани . При сбросе нагрузки ток через обмотки управлени  б, 7 дроссел  насыщени  1 должен быть

0 нулевым, однако этого не происходит из-за наличи  диода 11. Из-за потерь в сердечнике линейного дроссел  10 возникает несимметричный режим нагрузки на обмотки 6, 7 дроссел  насыщени  1. Дл  компенсации

5 несимметрии тока и исключении посто нной составл ющей включен резистор 26, который в непровод щий полупериод дл  диода 11 образует дополнительный контур, компенсирует наличие контура в другой полупериод, что обеспечивает уменьшение

посто нной составл ющей, а, следовательно , и работу на малых рабочих токах нагрузки . Величина токов намагничивани  дополнительных дросселей насыщени  незначительна и составл ет единицы миллиампер (сердечник К7хЗх2), что не вли ет на характеристики устройства. Устранение дополнительных соединений дроссел  насыщени  к выходному трансформатору, согласующему трансформатору или выпр мителю (это особенно важно при больших токах нагрузки 20-100 и более ампер) достигаетс  намоткой общей обмотки на сердечники дроссел  насыщени , входного трансформатора, согласующего трансформатора . При этом должно об зательно выполн тьс  условие: рабоча  индукци  сердечника выходного трансформатора должна быть не менее индукции насыщени  сердечника дроссел  насыщени ,

Т.е. Вр28,31 BS2.3 при 528,31

252 25з,

где S28,3i; 82; 5з - площадь сечени  сердечника выходного трансформатора 28, согласующего 31, дроссел  насыщени  1. При таком условии достигаетс  наиболее оптимальна  форма интегрированного магнитного компонента, при котором внешние и внутренние диаметры сердечников равны, а высоты отличаютс  вдвое дл  выходного трансформатора по отношению к сердечникам дроссел  насыщени , т.е.

П28 П31 2h2 2ПЗ Г12 + tl3.

Claims (7)

1. Формула изобретени  1. Преобразователь посто нного напр жени  в посто нное, содержащий дроссель насыщени  с двум  сердечниками и с расположенными на них рабочими обмотками и обмотками управлени , преобразователь посто нного напр жени  в переменное, выпр митель , соединенный с выходными выводами , причем рабочие обмотки дроссел  насыщени  соединены последовательно и включены между выходом преобразовател  посто нного напр жени  в переменное и входом выпр мител , линейный дроссель и диод, включенные последовательно с обмотками управлени  дроссел  насыщени , дополнительный источник питани , подключенный одним выводом к одному из выводов диода, а также узел управлени  насыщением дроссел  насыщени , включающий в себ  узел сравнени , одним из входов подключенный к выходным выводам, другим - к источнику эталонного напр жени , а выходом- - к входу регулирующего транзистора, отличающийс  тем, что, с целью повышени  КПД и надежности путем упрощени , введены два ключевых транзистора, два дополнительных дроссел 

   насыщени  с первой и второй обмотками и сердечниками, отношение Br/Bs которых равно нулю, два дополнительных диода и конденсатор, а преобразователь посто нно5 го напр жени  в переменное снабжен дополнительным выходом по переменному току, который подключен к входам ключевых транзисторов, коллекторы которых соединены через первые обмотки дополнитель10 ных дросселей насыщени  с общей точкой- соединени  диода и линейного дроссел , эмиттеры ключевых транзисторов подключены к второму выводу дополнительного источника питани , а вторые обмотки

   15 дополнительных дросселей насыщени  присоединены параллельно через дополнительные диоды к конденсатору, параллельно которому подключен регулирующий транзистор .

   0
2. 2. Преобразователь по п. 1,отличаю- щ и и с   тем, что рабочие обмотки основного дроссел  насыщени  включены согласно, а его обмотки управлени  включены встречно .

   5
3. 3. Преобразователь по пп. 1 и 2, о т л и- чающийс  тем, что преобразователь посто нного напр жени  в переменное выполнен по схеме ключевого усилител  мощности с выходным трансформатором,

   0 выходна  обмотка которого соединена с первой рабочей обмоткой основного дроссел  насыщени  согласно и выполнена в виде единой обмотки, намотанной на расположенные соосно сердечник выходного

   5 трансформатора и сердечник основного дроссел  насыщени ,
4. 4.Преобразователь по пп. 1 и 2, о т л и- чающийс  тем, что указанное соединение рабочей обмотки с входом выпр мител  осу0 ществлено через согласующий трансформа- тор, первична  обмотка которого включена согласно с второй рабочей обмоткой дроссел  насыщени  основного и выполнена в виде единой обмотки, намотанной на распо5 ложенные соосно сердечник согласующего трансформатора и сердечники основного дроссел  насыщени .
5. 5.Преобразователь по пп. 1-4, отличающийс  тем, что обмотка выходного

   0 трансформатора преобразовател  посто нного напр жени  в переменное, рабочие обмотки основного дроссел  насыщени  и первична  обмотка согласующего трансформатора включены согласно и выполнены

   5 в виде единой обмотки, намотанной на расположенные соосно сердечники выходного трансформатора преобразовател  посто нного напр жени  в переменное, сердечники основного дроссел  насыщений и сердечник согласующего трансформатора.
6. 6.Преобразователь по п. 1, о т л и ч а ю- щ и и с   тем, что диод зашунтирован введенным резистором.
7. 7.Преобразователь по п. 1. о т л и ч а юдроссел  выполнен составным из первого сердечника с высокой магнитной проницаемостью и второго сердечника с малой магнитной проницаемостью при близких

   щ и и и   тем, что сердечник линейного 5 значени х индукции насыщени  Bs у обоих.

   дроссел  выполнен составным из первого сердечника с высокой магнитной проницаемостью и второго сердечника с малой магнитной проницаемостью при близких

   Фиг.З

   Фиг,6

   Фиг. 7

   Ц.

   28(31} 5,32

   Фиг. 8

   Фиг. 9