Двухтактный преобразователь с импульсной нагрузкой

Полезная модель относится к преобразовательной технике и может быть использована в системах электропитания устройств радиотехники, автоматики и вычислительной техники. Цель полезной модели - расширение области использования двухтактного преобразователя с импульсной нагрузкой, увеличение КПД и надежности предлагаемого преобразователя, уменьшение его массы и габаритов. Поставленная цель достигается тем, что вторая вторичная обмотка трансформатора тока подключена к входу второго выпрямителя, выход которого соединен с входом второго потенциометра, выход которого через разделительный диод подключен к инверсному выводу «IN» двухтактного ШИМ-контроллера. 1 с.п. ф-лы, 1 илл.

Полезная модель относится к преобразовательной технике и может быть использована в системах электропитания устройств радиотехники, автоматики и вычислительной техники.

За прототип принят двухтактный преобразователь с импульсной нагрузкой (Схемы ШИМ-контроллеров (1156 ЕУ 2, 3) г.Брянск «НТЦ СМТ, 2000 г., 22 стр.) Это устройство является наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату. В двухтактном преобразователе с импульсной нагрузкой, содержащем первый и второй МДП-транзисторы, силовой трансформатор, вторичная обмотка которого через первый выпрямитель, дроссель фильтра, конденсатор фильтра соединена с нагрузкой преобразователя, отрицательный вывод конденсатора фильтра соединен с отрицательной обкладкой конденсатора, положительную и отрицательную клеммы источника питания, двухтактный ШИМ-контроллер, прямой вывод «IN» которого соединен с выводом U _REF, трансформатор тока, вторичная обмотка которого соединена с входом второго выпрямителя, вывод U_CC ШИМ-контроллера соединен с дополнительным источником питания, вывод С_T ШИМ-контроллера через времязадающий конденсатор подключен к отрицательной обкладке конденсатора, к которой также подключены выводы GND и I_LIM/stop, вывод OUT_A ШИМ-контроллера подключен к затвору МДП-транзистора, вывод OUT_B - к затвору второго МДП-транзистора.

Вывод С _T ШИМ-контроллера через времязадающий конденсатор подключен к отрицательной обкладке конденсатора. А вывод R_T через времязадающий резистор также подключен к отрицательной обкладке конденсатора.

Вывод ОUT_A ШИМ-контроллера подключен к затвору первого МДП-транзистора. Вывод OUT_B ШИМ-контроллера подключен к затвору второго МДП-транзистора.

Вторичная обмотка трансформатора тока через выпрямитель и активно-емкостной фильтр подключена к выводу I_LIM/stop ШИМ-контроллера.

Выводы GND и PGND соединены с отрицательной обкладкой конденсатора.

Прототип имеет следующие недостатки.

1) При импульсной нагрузке и максимальной величине выходного тока преобразователя напряжение на вторичной обмотке трансформатора тока начинает резко возрастать и подается на вывод I_LIM/stop ШИМ-контроллера. Происходит «сбой» логических элементов ШИМ-контроллера. На выводах OUT_A и OUT_B формируются импульсы разной длительности. Средняя величина тока через первый МДП-транзистор будет отличаться от средней величины тока через второй МДП-транзистор. Через обмотки силового трансформатора будет протекать постоянная составляющая тока. Указанное явление вызывает появление постоянной составляющей магнитного потока в магнитопроводе силового трансформатора. Это приводит к насыщению силового трансформатора и короткому замыканию в его обмотках. Устранить это явление можно, введя диэлектрический зазор в магнитопроводе силового трансформатора. Однако это приводит к уменьшению магнитной проницаемости магнитопровода и необходимости увеличения витков обмоток силового трансформатора. Происходит уменьшение КПД силового трансформатора, увеличение его массы и габаритов. Также происходит уменьшение КПД преобразователя, увеличение его массы и габаритов. При насыщении трансформатора ток, протекающий через его обмотки, может возрасти до величины, при которой МДП-транзисторы выходят из строя. Это снижает надежность работы преобразователя.

2) Наличие импульсной нагрузки может вызвать режим близкий к режиму короткого замыкания. В этом случае сигнал, поступающий на вывод I_LIM/stop ШИМ-контроллера с трансформатора тока, вызывает срабатывание компаратора выключения схемы. В результате на его выходе формируется логическая единица, которая, проходя через схему «ИЛИ» ШИМ-контроллера, включает транзистор, который разряжает конденсатор плавного запуска, подключенный к выводу «Start». Одновременно другие транзисторы снижают выходной потенциал операционного усилителя практически до нуля. После выключения выходных ключей потенциал на выводе I_LIM/stop устанавливается близким к нулю, компараторы ограничения тока и выключения схемы снимают запрет и начинается процесс плавного запуска. Если режимы работы импульсной нагрузки близкие к короткому замыканию не исчезают, описанные процессы повторяются и схема переходит в режим «икания». Происходит сбой в работе импульсной нагрузки. Это снижает надежность работы комплекса «преобразователь - импульсная нагрузка».

Отмеченные недостатки ограничивают область применения схемы прототипа.

Они устраняются предлагаемым решением.

Решается задача расширения области применения предлагаемой схемы двухтактного преобразователя Техническим результатом является увеличение КПД и надежности предлагаемого преобразователя, уменьшение его массы и габаритов.

Увеличение КПД и надежности, уменьшение массы и габаритов преобразователя достигается тем, что в схеме сигнал перегрузки по току подается не на вывод I_LIM/stop ШИМ-контроллера, а на его инверсный вывод «IN»

Этот технический результат достигается тем, что в двухтактном преобразователе с импульсной нагрузкой, содержащем первый и второй МДП-транзисторы, силовой трансформатор, вторичная обмотка которого через первый выпрямитель, дроссель фильтра, конденсатор фильтра соединена с нагрузкой преобразователя, отрицательный вывод конденсатора фильтра соединен с отрицательной обкладкой конденсатора, положительную и отрицательную клеммы источника питания. двухтактный ШИМ-контроллер, прямой вывод IN которого соединен с выводом U_REF, трансформатор тока, вторичная обмотка которого соединена с входом второго выпрямителя, вывод U_CC ШИМ-контроллера соединен с дополнительным источником питания, вывод С_T ШИМ-контроллера через времязадающий конденсатор подключен к отрицательной обкладке конденсатора, к которой также подключены выводы GND и I_LIM/stop , вывод OUT_A ШИМ-контроллера подключен к затвору МДП-транзистора, вывод OUT_B - к затвору второго МДП-транзистора, первый и второй последовательно соединенные МДП-транзисторы подключены так, что сток первого подключен к положительной клемме источника питания, а исток второго к его отрицательной клемме, введены два последовательно соединенных рекуперирующих диода, катод первого диода подключен к положительной клемме источника питания, а анод второго диода - к его отрицательной клемме, анод первого диода подключен к истоку первого МДП-транзистора, два последовательно соединенных конденсатора подключены к положительной и отрицательной клеммам источника питания, их общая точка через первичные обмотки силового трансформатора и трансформатора тока подключена к истоку первого МДП-транзистора, выводы OUT_A и OUT_B ШИМ-контроллеров через первый и второй управляющие трансформаторы подключены к затворам первого и второго МДП-транзисторов, соответственно., введены первый и второй потенциометры, первый вывод первого потенциометра подключен к положительной обкладке конденсатора индуктивно-емкостного фильтра, его второй вывод - к отрицательной обкладке этого конденсатора, средний вывод первого потенциометра подключен к инверсному выводу IN ШИМ-контроллера, выход второго выпрямителя соединен с первым и вторым выводами второго потенциометра, средний вывод которого подсоединен к аноду разделительного диода, катод которого подключен к инверсному выводу IN ШИМ-контроллера, На чертеже представлена схема предлагаемого двухтактного преобразователя. Приняты следующие обозначения:

1, 2 - положительная и отрицательная клеммы источника питания;

3, 4 - первый и второй МДП-транзисторы,

5 - разделительный диод;

6, 7 - первый и второй рекуперирующие диоды;

8, 9 - первый и второй конденсаторы;

10 - трансформатор тока;

11 - второй выпрямитель;

12 - второй потенциометр;

13 - двухтактный ШИМ-контроллер;

14 - силовой трансформатор;

15 - первый выпрямитель

16 - дроссель фильтра

17 - времязадающий резистор;

18 - времязадающий конденсатор;

19 - первый управляющий трансформатор;

20 - первый потенциометр;

21 - второй управляющий трансформатор;

22 - конденсатор фильтра;

23 - дополнительный источник питания.

24 - транзистор импульсной нагрузки

Первый 3 и второй 4 последовательно соединенные МДП-транзисторы подключены так что сток первого подключен к положительной клемме 1 источника питания, а исток второго к его отрицательной клемме 2. Введены два последовательно соединенных рекуперирующих диода 6, 7. Катод первого диода 6 подключен к положительной клемме 1 источника питания, анод второго диода - к его отрицательной клемме 2, анод первого диода 6 - к истоку первого МДП-транзистора 3, два последовательно соединенных конденсатора 8, 9 - к положительной и отрицательной клеммам 1, 2 источника питания. Их общая точка через первичные обмотки силового трансформатора 14 и трансформатора тока 10 подключена к истоку первого МДП-транзистора 3. Выводы OUT_A и OUT_B ШИМ-контроллеров через первый 19 и второй 21 управляющие трансформаторы подключены к затворам первого 3 и второго 4 МДП-транзисторов, соответственно. Введены первый 20 и второй 12 потенциометры. Первый вывод потенциометра 20 подключен к положительной обкладке конденсатора 22 индуктивно емкостного фильтра, его второй вывод - к отрицательной обкладке этого конденсатора. Средний вывод первого потенциометра 20 подключен к инверсному выводу IN ШИM-контроллера, выход второго выпрямителя 11 соединен с первым и вторым выводами второго потенциометра 12, средний вывод которого подсоединен к аноду разделительного диода 5, катод которого подключен к инверсному выводу IN ШИМ-контроллера.

Принцип работы предлагаемого стабилизированного квазирезонансного преобразователя заключается в следующем.

На клеммы 1, 2 подается напряжение. При включении дополнительного источника питания 23 начинает работать двухтактный ШИМ-контроллер 13. Частота генерации его выходных импульсов определяется времязадающими резистором 17 и конденсатором 18. С его вывода ОUT_A через первый управляющий трансформатор 19 и вывода OUT_B через второй управляющий трансформатор 21 выходные импульсы подаются на затворы МДП-транзисторов 3, 4. Начинается поочередное включение МДП-транзисторов 3, 4. Цепь плавного пуска Start ШИМ-контроллера 13 (на фиг.1 не обозначена) в первый момент времени обеспечивает минимальную длительность импульсов с выводов OUT_A и OUT_B.

При подаче импульса с вывода OUT_A ШИМ-контроллера 13 через управляющий трансформатор 19 на затвор МДП-транзистора 3 происходит его включение. Ток протекает по цепи: клемма 1, МДП-транзистор 3, первичная обмотка силового трансформатора 14 и трансформатора тока 10, конденсатор 9, клемма 2.

Поскольку в этой цепи имеется эквивалентная индуктивность силового трансформатора 14 и трансформатора тока 10, возникает обратный ток, который протекает по цепи: клемма 2, рекуперирующий диод 7, первичная обмотка силового трансформатора 14 и трансформатора тока 10, конденсатор 8, клемма 1. Происходит рекуперация энергии в цепь питания преобразователя.

При подаче импульса с вывода «OUTB» ШИМ-контроллера 13 через управляющий трансформатор 21 на затвор МДП-транзистора 4 происходит его включение. Ток протекает по цепи: клемма 1, конденсатор 8, первичная обмотка трансформатора тока 10 и силового трансформатора 14, МДП-транзистор 4, клемма 2.

Поскольку в этой цепи имеется эквивалентная индуктивность силового трансформатора 14 и трансформатора тока 10 возникает обратный ток, который протекает по цепи: отрицательная клемма 2, конденсатор 9, первичная обмотка трансформатора тока 10, силового трансформатора 14 и рекуперирующий диод 6, клемма 1. Происходит рекуперация энергии в цепь питания преобразователя.

По мере увеличения ширины импульсов с выводов OUT_A и ОUT _B напряжение на конденсаторе 22 фильтра достигает номинального значения.

Начинает работать обратная связь по напряжению.

При достижении напряжения на конденсаторе 22 величины, превышающей номинальное значение, напряжение на инверсном выводе IN ШИМ-контроллера 13 превышает величину напряжения на прямом выводе IN. Длительность импульсов на выводах OUT _A и ОUT_B уменьшается и следовательно, уменьшается напряжение на конденсаторе 22.

При напряжении на конденсаторе 22 меньшем номинального значения, напряжение на инверсном выводе IN ШИМ-контроллера 13 меньше величины напряжения на его прямом выводе IN. Длительность импульсов на выводах OUT _A и OUT_B увеличивается и, следовательно, увеличивается напряжения на конденсаторе 22. Далее процессы повторяются.

Частота включения транзистора импульсной нагрузки 24 много меньше рабочей частоты ШИМ-контроллера 13.

При включении транзистора импульсной нагрузки 24, происходит частичный разряд конденсатора 22. Через резистор импульсной нагрузки 24 протекает ток большой величины, формируется импульс большой мощности.

Преобразователь практически работает в режиме короткого замыкания. Возрастает выходной ток преобразователя и, следовательно, ток в первичной обмотке трансформатора тока 10. Увеличивается напряжение вторичной обмотки трансформатора тока 10, на выходе выпрямителя 11, на потенциометре 12 и на инверсном выводе «IN» ШИМ-контроллера 13. Длительность импульсов на его выводах OUT_A и OUT_B уменьшается и, следовательно, происходит уменьшение величины выходного тока преобразователя практически до номинального значения. Преобразователь работает в режиме «токовой отсечки». В этом режиме преобразователь является «источником тока».

После выключения транзистора импульсной нагрузки 24, происходит заряд конденсатора 22.

Первый этап заряда конденсатора 22 производится «током отсечки», величина которого определяется потенциометром 12. В этом режиме преобразователь является «источником тока».

При достижении напряжения на конденсаторе 22 величины, при которой величина тока заряда конденсатора меньше величины «тока отсечки», преобразователь становится «источником напряжения».

Величина тока заряда конденсатора 22 ограничивается эквивалентным сопротивлением цепи заряда этого конденсатора. Заряд будет осуществляться до момента времени, пока выполняется условие - напряжение на выходе преобразователя больше напряжения на конденсаторе 22. Величина напряжения на конденсаторе 22 задается потенциометром 20 цепи обратной связи по напряжению.

После того как величина напряжения на конденсаторе 22 становится равной величине напряжения на выходе преобразователя ток заряда конденсатора 22 становится равным нулю. Далее преобразователь работает в режиме «холостого хода».

Скважность импульсов на резисторе импульсной нагрузки 24 составляет 1:(1020). Включение транзистора импульсной нагрузки 24 продолжается с заданной частотой.

Наличие обратной связи по напряжению обеспечивает формирование на резисторе импульсной нагрузки 24 импульсов напряжения идентичной амплитуды.

При импульсной нагрузке 24 и максимальной величине выходного тока преобразователя напряжение на вторичной обмотке трансформатора тока 10 начинает резко возрастать и подается на инверсный вывод IN ШИМ-контроллера. Здесь не происходит «сбой» логических элементов ШИМ-контроллера, поскольку сигнал через них не проходит.

На выводах OUT_A и OUT_B формируются импульсы равной длительности. Средняя величина тока через первый МДП-транзистор будет равна средней величине тока через второй МДП-транзистор. Через обмотки силового трансформатор не протекает постоянная составляющая тока. Не образуется постоянной составляющей магнитного потока в магнитопроводе силового трансформатора. Не происходит насыщения силового трансформатора и короткого замыкания в его обмотках. Не требуется введения диэлектрического зазора в магнитопроводе силового трансформатора. Не происходит уменьшения магнитной проницаемости магнитопровода, и нет необходимости увеличения витков обмоток силового трансформатора. Возрастает КПД силового трансформатора, снижается его масса и габариты. Также возрастает КПД преобразователя, снижаются его массы и габаритов. Поскольку не происходит насыщения трансформатора, ток, протекающий через его обмотки, не может возрасти до величины, при которой МДП-транзисторы выходят из строя. Повышается надежность работы преобразователя.

Наличие импульсной нагрузки может вызвать режим, близкий к режиму короткого замыкания. Однако в предлагаемой схеме сигнал с трансформатора тока, поступает не на вывод I_LIM/stop ШИМ-контроллера, а на инверсный вывод IN, что не вызывает срабатывание компаратора выключения схемы. Вывод I_LIM/stop ШИМ-контроллера подсоединен к «корпусу» В результате на его выходе не формируется логическая единица, которая, проходя через схему «ИЛИ» ШИМ-контроллера, включает транзистор, который разряжает конденсатор плавного запуска, подключенный к выводу «Start». He снижается практически до нуля выходной потенциал операционного усилителя. Здесь не начинается повторный процесс плавного запуска. Если режимы работы импульсной нагрузки, близкие к короткому замыканию, не исчезают, схема не переходит в режим «икания». Сбой в работе импульсной нагрузки не происходит. Обеспечивается надежность работы комплекса «преобразователь - импульсная нагрузка».

К основным преимуществам заявляемого преобразователя по сравнению с прототипом следует отнести следующее:

- в силовом трансформаторе отсутствует насыщение, что позволяет уменьшить количество витков всех его обмоток;

- при работе комплекса «преобразователь - импульсная нагрузка» не наблюдается сбоев в ШИМ-контроллере, вызванных работой импульсной нагрузки.

Выше перечисленные свойства обеспечивают расширение области применения предлагаемого преобразователя, увеличение его КПД и надежности, уменьшение массы и габаритов.

Двухтактный преобразователь с импульсной нагрузкой, содержащий первый и второй МДП-транзисторы, силовой трансформатор, вторичная обмотка которого через первый выпрямитель, дроссель фильтра, конденсатор фильтра соединена с нагрузкой преобразователя, отрицательный вывод конденсатора фильтра соединен с отрицательной обкладкой конденсатора, положительную и отрицательную клеммы источника питания, двухтактный ШИМ-контроллер, прямой вывод IN которого соединен с выводом U_REF, трансформатор тока, вторичная обмотка которого соединена с входом второго выпрямителя, вывод U_CC ШИМ-контроллера соединен с дополнительным источником питания, вывод С_T ШИМ-контроллера через времязадающий конденсатор подключен к отрицательной обкладке конденсатора, к которой также подключены выводы GND и I _LIM/stop , вывод OUT_A ШИМ-контроллера подключен к затвору МДП-транзистора, вывод OUT_B - к затвору второго МДП-транзистора, отличающийся тем, что первый и второй последовательно соединенные МДП-транзисторы подключены так, что сток первого подключен к положительной клемме источника питания, а исток второго - к его отрицательной клемме, введены два последовательно соединенных рекуперирующих диода, катод первого диода подключен к положительной клемме источника питания, а анод второго диода - к его отрицательной клемме, анод первого диода подключен к истоку первого МДП-транзистора, два последовательно соединенных конденсатора подключены к положительной и отрицательной клеммам источника питания, их общая точка через первичные обмотки силового трансформатора и трансформатора тока подключена к истоку первого МДП-транзистора, выводы OUT_A и OUT_B ШИМ-контроллеров через первый и второй управляющие трансформаторы подключены к затворам первого и второго МДП-транзисторов соответственно, введены первый и второй потенциометры, первый вывод первого потенциометра подключен к положительной обкладке конденсатора индуктивно-емкостного фильтра, его второй вывод - к отрицательной обкладке этого конденсатора, средний вывод первого потенциометра подключен к инверсному выводу IN ШИМ-контроллера, выход второго выпрямителя соединен с первым и вторым выводами второго потенциометра, средний вывод которого подсоединен к аноду разделительного диода, катод которого подключен к инверсному выводу IN ШИМ-контроллера.