Импульсный источник питания

Авторы патента:

H02M3/28 - с использованием газоразрядных, электронных или полупроводниковых приборов с управляющим электродом для получения промежуточного переменного тока

Полезная модель относится к электротехнике и может использоваться в импульсных источниках питания для преобразования постоянного напряжения в постоянное, а также для построения источников питания с коррекцией коэффициента мощности по однокаскадной схеме, с единичной мощностью 500 Вт и более. Предлагается импульсный источник питания с накоплением энергии в трансформаторе, содержащий трансформатор, первичная обмотка которого через первый ключ с параллельной емкостью и обратным диодом соединена с источником входного напряжения, а через второй ключ, содержащий обратный диод, соединена с конденсатором, а вторичная обмотка соединена через выходной выпрямитель и выходной фильтр с нагрузкой. В предлагаемом источнике питания параллельно первому ключу включен второй конденсатор, а последовательно с первым конденсатором и последовательно с вторичной обмоткой включены датчики тока, выходы которых соединены с входами сумматора, выход которого подключен к первому входу компаратора, выход которого через драйвер соединен с управляющим входом второго ключа, второй вход компаратора подключен к выходу сумматора с однополупериодным выпрямителем на выходе, на первый вход которого подается сигнал пропорциональный входному напряжению, а на второй вход сигнал пропорциональный напряжению первого конденсатора. Технический результат от применения предлагаемой полезной модели заключается в повышении КПД преобразователя, удельных массогабаритных показателей, а также увеличения максимальной единичной выходной мощности источника питания при широком диапазоне изменения входного и выходного напряжения и тока нагрузки.

Известен источник питания [1], содержащий трансформатор с накоплением энергии, первичная обмотка, которого через ключ с обратным диодом и параллельной емкостью, обусловленной емкостью ключа, трансформатора, монтажа и емкостью конденсатора демпфирующей RC-цепи, соединена с источником входного напряжения, а также через диод с конденсатором, и параллельным ему резистором, а вторичная обмотка соединена через выходной выпрямитель и выходной фильтр с нагрузкой.

Недостатком указанного устройства является низкий КПД, из-за потерь энергии рассеяния трансформатора, выделяющимися в резисторе и динамических потерь в ключе при включении за счет разряда параллельной емкости и при выключении, т.к. параллельная емкость, исходя из потерь при ее разряде, должна быть небольшой и не может обеспечить задержку нарастания напряжения на ключе и соответственно снизить динамические потери при запирании ключа. Кроме того, после окончания процесса передачи энергии в нагрузку на обмотках трансформатора присутствует колебательный процесс, что требует введения задержки на включение ключа и создает время простоя трансформатора, что увеличивает его габаритную мощность. Т.о. имеется невысокий КПД, массогабаритные показатели и ограничение максимальной выходной мощности источника питания со стороны коммутирующей способности ключа.

Наиболее близким аналогом является источник питания [2], содержащий трансформатор с накоплением энергии, первичная обмотка

которого, через первый ключ с параллельной емкостью, обусловленной емкостью ключа, трансформатора, монтажа и емкостью конденсатора демпфирующей RC-цепи и обратным диодом соединена с источником входного напряжения, а также через второй ключ подключена к конденсатору, а вторичная обмотка соединена через выходной выпрямитель и выходной фильтр с нагрузкой, при этом управление вторым ключом осуществляется от дополнительной обмотки трансформатора, посредством дифференцирующей цепи.

Недостатком указанного источника питания является то, что высокий КПД преобразователя можно получить при фиксированных значениях входного и выходного напряжения и тока нагрузки, что не позволяет его использовать в режиме корректора коэффициента мощности, где входное напряжение меняется от нуля до амплитуды сети. По этой же причине не удается увеличить емкость конденсатора включаемого параллельно ключу, для снижения динамических потерь при его выключении и более полного использования его коммутирующей способности. Неоптимальное определение момента выключения второго ключа приводит к недоиспользованию габаритной мощности трансформатора. Все это приводит к снижению удельных массогабаритных показателей источника питания.

Задача, решаемая в предлагаемой полезной модели, заключается в уменьшении потерь на преобразование энергии, а также улучшении удельных массогабаритных показателей источников питания аналогичного назначения.

Технический результат от применения предлагаемой полезной модели заключается в повышении КПД преобразователя, удельных массогабаритных показателей, а также увеличения максимальной единичной выходной мощности источника питания.

Поставленная задача достигается тем, что предлагается импульсный источник питания с накоплением энергии в трансформаторе, содержащий трансформатор, первичная обмотка, которого через первый ключ с параллельной емкостью и обратным диодом соединена с источником входного напряжения, а через второй ключ, содержащий обратный диод, соединена с конденсатором, а вторичная обмотка соединена через выходной выпрямитель и выходной фильтр с нагрузкой,

В предлагаемом источнике питания последовательно с конденсатором и последовательно с вторичной обмоткой включены датчики тока выходы которых соединены с входами сумматора, выходом соединенного с первым входом компаратора выход которого через драйвер соединен с управляющим входом второго ключа. Второй вход компаратора подключен к выходу сумматора с однополупериодным выпрямителем на выходе, на первый вход которого подается сигнал пропорциональный входному напряжению, а на второй вход сигнал пропорциональный напряжению первого конденсатора.

Сущность предлагаемой полезной модели поясняется функциональной схемой, приведенной на Фиг.1, временными диаграммами, приведенными на Фиг.2 и Фиг.3 и схемой замещения Фиг.4.

На функциональной схеме (Фиг.1) изображены: трансформатор 1, первичная обмотка, которого через первый ключ 2 с обратным диодом 3 и параллельной емкостью 4 соединена с источником входного напряжения 5, а также через второй ключ 6 с обратным диодом 7 с конденсатором 8, а вторичная обмотка соединена через выходной выпрямитель 9 и выходной фильтр 10 с нагрузкой 11. Последовательно с конденсатором 8 и последовательно с вторичной обмоткой включены датчики тока 12 и 13 выходы которых соединены с входом сумматора 14, выходом соединенного с первым входом компаратора 15, ко второму входу которого подключен сумматор с однополупериодным выпрямителем на выходе 16, на входы которого подаются сигналы пропорциональные входному напряжению и напряжению конденсатора 8. Выход компаратора через драйвер 17 соединен

с управляющим входом второго ключа 6. Управляющий вход первого ключа подключен к выходу системы управления 18, в качестве которой может быть контроллер для обратноходовых преобразователей, либо контроллер-корректор коэффициента мощности.

На временных диаграммах (Фиг.2) показаны: Ug.кл1 - импульсы управления первым ключом 2; Iкл1 - ток первого ключа 2 с параллельным диодом 3; I - ток намагничивания трансформатора (I=11-12), I1 и I2 - ток первичной и вторичной обмоток трансформатора; Iкл2 - ток второго ключа с параллельным диодом; Uкл1 - напряжение на первом ключе 2. На диаграммах: I - приращение тока намагничивания к моменту выключения второго ключа; Uc и Uвх - напряжения на конденсаторе 8 и входное напряжение источника входного напряжения 5.

На схеме замещения (Фиг.3) раскрыта схема замещения трансформатора, где:

L - индуктивность намагничивания трансформатора;

Ls1 и Ls2 - индуктивности рассеяния первичной и вторичной обмоток.

Источник питания работает следующим образом. В момент времени t1 включается первый ключ 2. На интервале t1-t2, происходит накопление энергии в трансформаторе 1 от источника входного напряжения 2. В момент времени t2 первый ключ закрывается, и напряжение на нем начинает увеличиваться, причем скорость нарастания ограничивается параллельной емкостью 4 (интервал t2-t3). B момент t3, напряжение на первичной обмотке оказывается больше напряжения конденсатора 8, диод 7 открывается и ток первичной обмотки замыкается через этот диод и конденсатор 8 (Фиг.2, Iкл2). Затем появляется ток во вторичной обмотке (Фиг.2., 12). На интервале t3-t6 датчики тока 12 и 13 формируют сигналы пропорциональные первичному и вторичному токам трансформатора 1. Коэффициенты передачи датчиков выбраны таким образом, что на выходе сумматора 14 присутствует сигнал пропорциональный току намагничивания трансформатора (Фиг.2), I=I=I1-I2. Этим сигналом перебросится компаратор 15 и через драйвер 16

включит второй ключ 6. На интервале t3-t4 часть энергии трансформатора, в том числе энергия рассеяния, передается в конденсатор 8, а на интервале t4-t6 энергия передается от конденсатора 8 через ключ 6, трансформатор 1 и выпрямитель 9 в нагрузку 11. В момент t5 ток I становится равным нулю и на интервале t5-t6 под действием напряжения конденсатора 8 меняет знак. Соответственно меняет знак и начинает увеличиваться напряжение на выходе сумматора 14. Как только оно становится больше напряжения на выходе сумматора 16 компаратор 15 перебрасывается и драйвер 17 запирает ключ 6, что соответствует моменту t6. На выходе сумматора 16 формируется разность сигналов, пропорциональных входному напряжению и напряжению на конденсаторе 8, если эта разность положительна, или ноль, если отрицательна. На интервале t6-t7 идет перезаряд параллельной емкости 4 током намагничивания трансформатора, накопленным в индуктивности L и током накопленным в индуктивностях рассеяния Ls1 и Ls2 (Фиг.3).

Процесс перезаряда параллельной емкости 4 протекает в следующей последовательности. Вначале напряжение на ней равно U=Uвх+Uc. Затем напряжение падает, и как только оно принимает значение Uвх, напряжение на первичной обмотке становится равным нулю, а энергия параллельной емкости, соответствующая Uc, передана в трансформатор. Затем, эта составляющая энергии трансформатора разряжает параллельную емкость до напряжения Uвх-Uc. Чтобы конденсатор разрядился до нуля, необходимо предварительно накопить в трансформаторе ток равный

где

L - индуктивность трансформатора, участвующая в колебательном процессе;

С - параллельная емкость 4,

Это соотношение вытекает из равенства энергии конденсатора и индуктивности:

Е_L=0.5I_L²L_L и Е_C=0,5(U_C-U_ВХ )²С;

Именно это значение тока (без учета энергии потерь и энергии необходимой для удержания нулевого напряжения на ключе до его отпирания) формируется в трансформаторе в момент времени t6.

Для ускорения процесса разряда и снижения времени «простоя» целесообразно увеличить энергию трансформатора, однако необходимо учитывать встречный процесс. Это увеличения времени удержания нулевого напряжения на первом ключе обратным током, за счет избыточной энергии трансформатора. В этом случае начало процесса накопления - момент t9 задерживается и, соответственно, время «простоя» увеличивается. А также уменьшается КПД за счет увеличения количества энергии подвергаемой двойному преобразованию - сначала в конденсатор 8, затем обратно в нагрузку.

На интервале t8-t9 избыточный отрицательный ток L, через обратный диод 3 передается в источник входного напряжения. Затем процесс преобразования повторяется.

При реализации полезной модели в источнике питания совмещенном с корректором коэффициента мощности, где входное напряжение пульсирует с частотой сети, существует режим, когда входное напряжение меньше чем напряжение конденсатора 8. В этом режиме в трансформаторе накапливается избыточный отрицательный ток намагничивания во время разряда параллельной емкости 4, и чтобы не увеличивать этот ток необходимо запирать ключ 6 при достижении током намагничивания нулевого значения (момент t5).

Для реализации полезной модели необходимо определить величину емкости конденсатора 8. Оптимальное значение определяется из условия, чтобы в режиме максимальной мощности преобразователя полупериод свободных колебаний в последовательном контуре, составленном из конденсатора 4 и суммарной индуктивности рассеяния Ls1+Ls2 (Фиг.2) был равен времени необходимом для передачи энергии основного потока в нагрузку (интервал t4-t6).

Библиографические материалы

1. Интегральные микросхемы: Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. Изд.2-е. - М.: ДОДЭКА, 2000. - 608 с. стр.191.

2. 7 Н 02 М 3/28. JP 3237633B2. 02.12.98. Импульсный источник питания (73) Murata Mfg Co Ltd.

Импульсный источник питания с накоплением энергии в трансформаторе, содержащий трансформатор, первичная обмотка которого через первый ключ, содержащий обратный диод, соединена с источником входного напряжения, а через второй ключ, содержащий обратный диод, с первым конденсатором, а вторичная обмотка соединена через выходной выпрямитель и выходной фильтр с нагрузкой, отличающийся тем, что параллельно первому ключу включен второй конденсатор, а последовательно с первым конденсатором и последовательно с вторичной обмоткой включены датчики тока, выходы которых соединены с входами сумматора, выход которого подключен к первому входу компаратора, выход которого через драйвер соединен с управляющим входом второго ключа, второй вход компаратора подключен к выходу сумматора с однополупериодным выпрямителем на выходе, на первый вход которого подается сигнал, пропорциональный входному напряжению, а на второй вход сигнал пропорциональный напряжению первого конденсатора.