Квазирезонансный преобразователь постоянного напряжения с переключением при нулевом напряжении

Квазирезонансный преобразователь постоянного напряжения с переключением при нулевом напряжении относится к преобразовательной технике и может быть использовано в конструкции вторичных источниках питания. Технический результат заключается в минимизации габаритов и повышении надежности, за счет снижения перегрузки на силовом ключе в пусковом режиме и режиме короткого замыкания. Принцип работы схемы заключается в предотвращении роста тока в трансформаторе в пусковом режиме и режиме короткого замыкания в нагрузке преобразователя и достигается автоматическим увеличением длительности паузы между открытыми состояниями силового транзистора пропорционально току накопленному в трансформаторе, посредством сложения напряжения токового датчика с напряжением вторичной обмотки. Максимальная длительность открытого состояния транзистора 3 в преобразователе определяется максимальной длительностью затворного импульса контроллера, обычно менее 50% от минимального периода повторения затворных импульсов, и не зависит от тока трансформатора. В варианте преобразователя, максимальная длительность открытого состояния транзистора определяется уровнем ограничения тока. Преимущества преобразователя по второму пункту формулы в том, что максимальный ток в трансформаторе существенно ниже, чем у первого варианта. 2 п.ф., 4 илл.

- Область техники

Полезная модель относится к преобразовательной технике и может быть использовано в конструкции вторичных источниках питания.

- Известный уровень техники

Известен обратноходовой преобразователь с контролем тока в первичной и вторичной цепях (WO 2004042906 A1, МПК H02M 3/335, опубликован 21.05.2004).

Недостатком преобразователя является режим работы при непрерывном токе, что приводит к повышенным потерям в выпрямительном диоде и уменьшению коэффициента полезного действия.

Известен квазирезонансный преобразователь постоянного напряжения с переключением тока при нулевом напряжении (RU 2478253 C1, МПК H02M 1/12, опубликован 27.03.2013).

Недостатком преобразователя является то, что схема управления силовым ключом собрана на дискретных элементах, что приводит к повышенным потерям и не позволяет эффективно использовать преобразователь при большом входном напряжении или в широком диапазоне входных напряжений.

Известен обратноходовой преобразователь с переключением при нулевом напряжении (EP 0757428 A1, МПК H02M 1/08, опубликован 1997-02-05).

Недостатком преобразователя является неконтролируемый рост тока силового ключа в пусковом режиме при большой входной емкости и малом активном сопротивлении обмоток трансформатора, что характерно для обратноходовых преобразователей с относительно большой мощностью.

Известен преобразователь на микросхеме ШИМ-контроллера ucc28810 (Texas Instruments) с переключением силового ключа при нулевом напряжении (www.ti.com).

Недостатком известного преобразователя является неконтролируемый рост тока силового ключа в пусковом режиме при попытке использования преобразователя на предельно больших мощностях, что снижает его надежность.

Известен также квазирезонансный преобразователь с переключением тока при нулевом напряжении, описанный в патенте US 20120299561 A1 (МПК G05F 1/46, опубликован 29.11.2012).

Недостатком преобразователя является нарушение квазирезонансного режима при пуске и неконтролируемый рост тока в силовом ключе при большой выходной емкости и малом активном сопротивлении обмоток трансформатора. Причиной этого является близкое к пороговому напряжение, управляющее переключением силового ключа в режиме пуска преобразователя во время обратного хода, в следствие малого рассеяния энергии в трансформаторе (малое активное сопротивление обмоток) и медленной передаче энергии в выходную емкость, что связано с практически нулевым выходным напряжением, ток в трансформаторе не снижается, что приводит к насыщению трансформатора, быстрому росту тока трансформатора и силового ключа и выходу силового ключа из строя. По этой же причине схема может выйти из строя при работе в режиме короткого замыкания. На практике работоспособность схемы достигается применением трансформатора с большим порогом насыщения, что приводит к увеличению его габаритов. Одновременно, применяют транзистор с большим допустимым током. Эти решения в итоге увеличивают стоимость.

Решение по US 20120299561 является ближайшим аналогом и принято в качестве прототипа.

Технический результат заявленного решения заключается в минимизации габаритов и повышении надежности, за счет снижения перегрузки на силовом ключе в пусковом режиме и режиме короткого замыкания.

- Подробное описание решения

Квазирезонансный преобразователь постоянного напряжения с переключением при нулевом напряжении, содержащий подключенные к первому и второму входным выводам преобразователя первичную обмотку трансформатора, токовый датчик и силовой ключ, управляющий вход которого подключен к выходу контроллера, один вход которого соединен со вторым входным выводом преобразователя, а вход определения нулевого напряжения соединен с первым выводом обмотки управления, при этом вторичная обмотка трансформатора через выпрямительный диод подключена к выходному конденсатору, подключенному к выходным выводам преобразователя, отличающийся тем, что второй вывод обмотки управления трансформатора соединен со вторым входным выводом преобразователя через параллельно включенные первый резистор и конденсатор и через соединенные последовательно диод и второй резистор с точкой соединения силового ключа и датчика тока.

В качестве варианта выполнения заявленного устройства следует указать, что контроллер имеет вход контроля тока, соединенный с точкой соединения токового датчика, диода и силового ключа.

- Краткое описание чертежей

Решение иллюстрируется следующими графическими материалами:

на фиг. 1 показана электрическая схема устройства по первому пункту формулы;

на фиг. 2 представлен вариант устройства по второму пункту формулы;

на фиг. 3 представлены эпюры напряжений и токов в различных узлах схемы устройства, представленного на фиг. 1;

на фиг. 4 представлены эпюры напряжений и токов в различных узлах схемы устройства, представленного на фиг. 2.

Квазирезонансный преобразователь (фиг. 1) содержит подключенные к первому 1₁ и второму 1₂ входным выводам преобразователя первичную обмотку 2₁ трансформатора 2, токовый датчик 4 и силовой ключ 3, управляющий вход которого подключен к выходу 5₃ контроллера 5, один вход 5₁ которого соединен со вторым входным выводом 1₂ преобразователя, а вход определения нулевого напряжения 5₂ соединен с первым выводом обмотки управления 2 ₂, при этом вторичная обмотка 2₃ трансформатора через выпрямительный диод 6 подключена к выходному конденсатору 7, подключенному к выходным выводам 8₁ и 8₂ преобразователя, отличающийся тем, что второй вывод обмотки управления 2₂ трансформатора 2 соединен со вторым входным выводом 1₂ преобразователя через параллельно включенные первый резистор 9 и конденсатор 10 и через соединенные последовательно диод 11 и второй резистор 12

Заявленный квазирезонансный преобразователь может быть представлен вариантом, в котором контроллер 5 имеет вход контроля тока 5₄ соединенный с точкой соединения токового датчика 4 диода 11 и силового ключа 3.

Принцип работы схемы заключается в предотвращении роста тока в трансформаторе в пусковом режиме и режиме короткого замыкания в нагрузке преобразователя и достигается автоматическим увеличением длительности паузы между открытыми состояниями силового транзистора пропорционально току накопленному в трансформаторе, посредством сложения напряжения токового датчика с напряжением вторичной обмотки 2₂. Длительность паузы между открытыми состояниями транзистора 3 в пусковом режиме пропорциональна напряжению, выделяемому на токовом датчике 4 и обратно пропорциональна скорости разряда конденсатора 10.

Максимальная длительность открытого состояния транзистора 3 в преобразователе на фиг. 1 определяется максимальной длительностью затворного импульса контроллера, обычно менее 50% от минимального периода повторения затворных импульсов, и не зависит от тока трансформатора.

В варианте преобразователя, представленном на фиг. 2 максимальная длительность открытого состояния транзистора определяется уровнем ограничения тока Ilim. Преимущества преобразователя по второму пункту формулы (фиг. 2) в том, что максимальный ток в трансформаторе существенно ниже, чем у первого варианта, представленного на фиг. 1.

Пояснения к эпюрам, представленным на фиг. 3 и фиг. 4:

I. U_prim - напряжение первичной обмотки трансформатора (обмотка 2₁);

II. I_prim - ток первичной цепи преобразователя (ток обмотки 2₁ и транзистора 3);

III. I_sec - ток вторичной цепи преобразователя (ток обмотки 2₃ и диода 6);

IV. U_RC - напряжение на конденсаторе 10 и резисторе 9;

V. U_sec - напряжение вторичной обмотки трансформатора (обмотки 2₂ и 2₃);

VI. U _TZ - напряжение входа 5₂ схемы управления (суммарное напряжение обмотки 2₂ и конденсатора 10).

Пояснения к обозначениям на эпюрах:

dTZ - длительность задержки определения нулевой энергии трансформатора(минимальная пауза между открытыми состояниями транзистора 3);

TI_min - длительность задержки схемы ограничения тока, (минимальная длительность открытого состояния транзистора 3);

I_lim - уровень ограничения тока первичной цепи преобразователя;

I_max - максимальный уровень тока первичной цепи преобразователя;

U _TZE - пороговый уровень входа 5₂ схемы управления для определения нулевого напряжения.

Устройство работает следующим образом.

Начальные условия: выводы 1₁ и 1₂ преобразователя подключены соответственно к положительному и отрицательному полюсам источника питающего напряжения, токи и напряжения во всех узлах схемы равны нулю.

При включении преобразователя контроллер 5 открывает силовой транзистор 3, подключая к первичной обмотке 2₁ трансформатора 2 входное напряжение. В обмотке 2₁ нарастает ток (Фиг. 3, эпюры I, II, период времени от T0 до T1) по достижении максимальной длительности открытого состояния транзистора, контроллер отключает транзистор 3. Ток в обмотке 2₁ прекращается, и вследствие индукции трансформатора, начинает протекать ток через обмотку 2₃ и диод 6, заряжая конденсатор 7.

В этот момент напряжение на конденсаторе 7 равно нулю, соответственно, во время протекания тока через диод 6, напряжение на обмотке 2₃ равно нулю (фиг. 4, эпюра IV, период времени от T1 до T2). Из-за того, что напряжение на обмотке 2₃ равно или близко к нулю отдача энергии трансформатором и уменьшение тока в нем, во время закрытого состояния транзистора 3 (обратный ход), малы и в момент включения транзистора 3 в первичной обмотке 2₁ трансформатора протекает ток. (фиг. 3, эпюра III, период времени от T1 до T2). Напряжение, выделяемое на токовом датчике 4, пропорционально току, протекающему через первичную обмотку 2₁ трансформатора 2, через диод 11 и резистор 12 заряжает конденсатор 10 (фиг. 3, эпюра V), складывается с напряжением на обмотке 2₂ . (фиг. 4, эпюра IV) и поступает на вход 5₂ контроллера 5 (фиг. 3, эпюра VI). Контроллер 5 открывает транзистор 3 при снижении напряжения на входе 5₂ ниже некоторого порога U_TZE с некоторой задержкой dTZ. Во время пуска напряжение на обмотке 2₂ пропорционально напряжению на обмотке 2₃ и соответственно равно или близко к нулю, поэтому время паузы между открытыми состояниями транзистора 3 определяется временем разряда конденсатора 10 через резистор 9 (снижение напряжения URC на эпюре V в периоды времени T1-T2, T3-T4, T5-T6). Таким образом, так как конденсатор 10 заряжается до напряжения пропорционально току через токовый датчик 4, пауза между открытыми состояниями транзистора 3 пропорциональна току первичной обмотки 2₁ . При увеличении (накоплении) тока в трансформаторе-дросселе 2 происходит увеличение паузы между открытыми состояниями транзистора 3 и соответственно увеличивается время отдачи энергии трансформатора в конденсатор 7 и нагрузку, подключенную к выводам 8 (Фиг. 3, эпюра III, растет максимальное значение тока Iprim, возрастают паузы T1-T2, T3-T4, T6-T7). Таким образом происходит автоматическое регулирование тока трансформатора-дросселя 2 в пусковом режиме (фиг. 3, эпюры I и II, период времени от T1-T7).

С накоплением энергии в конденсаторе 7 и увеличении напряжения на конденсаторе 7 растет перепад напряжения на обмотке 2 ₃. и соответственно на обмотке 2₂, при превышении размаха изменения напряжения на обмотке 2₂ до уровня U_TZE происходит переход преобразователя в квазирезонансный режим (фиг. 3, период времени T7-T12).

Нормальный режим работы преобразователя при регулировании длительности открытого состояния транзистора 3 определяется контроллером 5 по уровню напряжения на обмотке 2₂ размах напряжения на обмотке 2₂ при этом выше уровня U_TZE (Фиг. 3, период времени T12-T15).

Параметры элементов должны выбираться такими чтобы нормальный размах напряжения Usec на обмотке 2 ₂ превосходил уровень U_TZE в несколько раз (фиг. 3, эпюра IV период времени T12-T15).

Подробное описание преобразователя по второму пункту формулы:

Начальные условия: выводы 1₁ и 1₂ преобразователя подключены соответственно к положительному и отрицательному полюсам источника питающего напряжения, токи и напряжения во всех узлах схемы равны нулю.

При включении преобразователя контроллер 5 открывает силовой транзистор 3, подключая к первичной обмотке 2₁ трансформатора 2 входное напряжение. В обмотке 2₁ нарастает ток (фиг. 4, эпюры I, II, период времени от T0 до T1) по достижении тока ограничения Ilim, контроллер с некоторой задержкой Timin отключает транзистор 3. Ток в обмотке 2₁ прекращается, и, вследствие индукции трансформатора, начинает протекать ток через обмотку 2₃ и диод 6, заряжая конденсатор 7.

В этот момент напряжение на конденсаторе 7 равно нулю, соответственно, во время протекания тока через диод 6, напряжение на обмотке 2₃. равно нулю (фиг. 4, эпюра IV, период времени от T1 до T2). Из-за того, что напряжение на обмотке 2₃ равно или близко к нулю отдача энергии трансформатором и уменьшение тока в нем, во время закрытого состояния транзистора 3 (обратный ход), малы и в момент включения транзистора 3 в первичной обмотке 2₁ трансформатора протекает ток (фиг. 4, эпюра III, период времени от T1 до T2). Напряжение, выделяемое на токовом датчике 4, пропорциональное току, протекающему через первичную обмотку 2₁ трансформатора 2, диод 11 и резистор 12 заряжает конденсатор 10 (фиг. 4, эпюра V), складывается с напряжением на обмотке 2₂ (фиг. 4, эпюра IV) и поступает на вход 5₂ контроллера 5 (фиг. 4, эпюра VI). Контроллер 5 открывает транзистор 3 при снижении напряжения на входе 5₂ ниже некоторого порога U _TZE с некоторой задержкой dTZ. Во время пуска, напряжение на обмотке 2₂ пропорциональное напряжению на обмотке 2₃ и соответственно равное или близкое к нулю, поэтому время паузы между открытыми состояниями транзистора 3 определяется временем разряда конденсатора 10 через резистор 9 (Снижение напряжения ИКС на эпюре V в периоды времени T1-T2, T3-T4, T5-T6, T7-T8).

Таким образом, т.к. конденсатор 10 заряжается до напряжения пропорционально току через токовый датчик 4, пауза между открытыми состояниями транзистора 3 пропорциональна току первичной обмотки 2₁. При увеличении (накоплении) тока в трансформаторе-дросселе 2 происходит увеличение паузы между открытыми состояниями транзистора 3 и соответственно увеличивается время отдачи энергии трансформатора в конденсатор 7 и нагрузку, подключенную к выводам 8 (фиг. 4, эпюра III, растет максимальное значение тока Iprim, возрастают паузы T1-T2, T3-T4, T5-Т6, T7-T8). Таким образом, происходит автоматическое регулирование тока трансформатора-дросселя 2 в пусковом режиме (фиг. 4, эпюры I и II, период времени от T1-T13).

С накоплением энергии в конденсаторе 7 и увеличении напряжения на конденсаторе 7 растет перепад напряжения на обмотке 2₃. и соответственно на обмотке 2₂ , при превышении размаха изменения напряжения на обмотке 2 ₂ до уровня U_TZE происходит переход преобразователя в квазирезонансный режим (Фиг. 4, период времени T13-T19).

Нормальный режим работы преобразователя, при котором ток не достигает уровня Ilim, регулирование длительности открытого состояния транзистора 3 определяется контроллером 5 по уровню напряжения на обмотке 2₂ размах напряжения на обмотке 2₂ при этом выше уровня U_TZE (Фиг. 4, период времени T19-T23).

Параметры элементов должны выбираться такими, что при достижении током первичной обмотки уровня Ilim (фиг. 4, эпюра II, моменты времени T1, T14, T16, T18), напряжение на конденсаторе 10 должно быть примерно равно U_TZE (фиг. 4, V период времени T0-T18). Нормальный размах напряжения Usec на обмотке 2₂ должен превосходить уровень U _TZE в несколько раз (фиг. 4, эпюра IV период времени T16-T23). Преимущества преобразователя по второму пункту формулы (фиг. 2) в том, что максимальный ток в трансформаторе значительно ниже, чем у преобразователя по первому пункту формулы.

Квазирезонансный преобразователь по пункту 2 формулы лег в основу драйверов серии PSL80/PSL100/PSL120 используемых в конструкциях уличных светодиодных светильников. Дизайн светильников потребовал от разработчиков драйверов использования силового трансформатора минимальных размеров, что потребовало разработки специальных мер ограничивающих рост тока в пусковом режиме, одновременно применение данного решения позволило существенно снизить требования к максимальному току применяемого транзистора.

- Промышленная применимость

Приведенные в описании конструктивные особенности квазирезонансного преобразователя не являются исчерпывающими. Могут быть использованы эквивалентные признаки, позволяющие обеспечить достижение указанного технического результата. Квазирезонансный преобразователь может быть изготовлен известными способами на высокопроизводительном автоматизированном оборудовании.

1. Квазирезонансный преобразователь постоянного напряжения с переключением при нулевом напряжении, содержащий подключенные к первому и второму входным выводам преобразователя первичную обмотку трансформатора, токовый датчик и силовой ключ, управляющий вход которого подключен к выходу контроллера, один вход которого соединен со вторым входным выводом преобразователя, а вход определения нулевого напряжения соединен с первым выводом обмотки управления, при этом вторичная обмотка трансформатора через выпрямительный диод подключена к выходному конденсатору, подключенному к выходным выводам преобразователя, отличающийся тем, что второй вывод обмотки управления трансформатора соединен с входом преобразователя через параллельно включенные первый резистор и конденсатор и точкой соединения силового ключа и датчика тока через последовательно соединенные диод и второй резистор.

2. Квазирезонансный преобразователь по п.1, отличающийся тем, что контроллер имеет вход контроля тока, соединенный с точкой соединения токового датчика, диода и силового ключа.