Система стабильного электропитания

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в полупроводниковых стабилизаторах импульсного действия, работающих при повышенных питающих напряжениях. Цель изобретения - повышение эксплуатационной надежности. Цель достигается благодаря введению цепей формирования безопасной траектории переключения регулирующего элемента (РЭ) 10. Эти цепи включают демпфирующий 22 и коммутирующий 23 диоды, резистор 24, а также дополнительный двухобмоточный дроссель 25, вторичная обмотка которого шунтирована последовательно соединенными диодом 27 и резистором 28. Дроссель 25 и демпфирующая цепь 30 обеспечивают индуктивную реакцию при включении и емкостную при выключении РЭ 10, что значительно уменьшает потери на нем, повышает устойчивость к вторичному пробою, за счет чего и повышается эксплуатационная надежность. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU,1 13429

А1 (51) 4 G 05 F 1/56

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К A BTOPCH0MY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР 1 1 (21) 4360408/24-07 (22) 19, 10,87 (46) 07.10.89 Бюл. Ф 37 (71) Особое конструкторско-технологическое бюро "Парсек" при Тольяттинском политехническом институте (72) Б.В.Бредихин (53) .621.316.722.1(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

9 550741, кл. G 05 F 1/56, 1974.

Авторское свидетельство СССР

P.- 855641, кл. G 05 F 1/56, 1979. (54) СИСТЕМА СТАБИЛЬНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ (57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в полупроводниковых стабилизаторах импульсного действия, работающих при по2 вьппенных питающих напряжениях. Цель изобретения — повышение эксплуатационной надежности. Цель достигается благодаря введению цепей формирования безопасной траектории переключения регулирующего элемента (РЭ) 10. Эти цепи включают демпфирующий 22 и коммутирующий 23 диоды, резисторы 24, а также дополнительный двухобмоточный дроссель 25, вторичная обмотка которого шунтирована последовательно соединенными диодом 27 и резистором 28.

Дроссель 25 и демпфирующая.цепь 30 обеспечивают индуктивную реакцию при включении и емкостную при выключении РЭ 10, что значительно уменьша- а ет потери на нем, повьппает устойчивость к вторичному пробою, за счет чего и повьппается эксплуатационная надежность. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

3 151342

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в полупроводниковых стабилизаторах импульсного действия, работающих при повьппенных питающих напряжениях.

Цель изобретения — повьппение эксплуатационной надежности.

На чертеже показана функциональная схема системы стабильного электропитания с цепями формирования безопасной траектории переключения регулирующего транзистора.

Система содержит импульсный ста билизатор 1 напряжения, преобразо-! ватель 2 постоянного напряжения в пе,, ременное, являющийся нагрузкой для ! стабилизатора 1 напряжения. Преобра-! зователь 2 состоит из силового трансформатора 3 с первичной 4 и вторич- 20 ной 5 обмотками, причем последняя под, ключена к нагрузке 6,. транзисторов 7 и 8, включенных по полумостовой схе. ме и базами соединенных с выходами узла 9 управления. Импульсный стаби- 25 лизатор 1 состоит из регулирующего

1 элемента 10, широтно-импульсного моду лятора 11, усилителя 12 постоянного тока, блока 13 сравнения, силового фильтра 14, включающего блокирующий 30 диод 15, коммутирующий диод 16, конденсаторы 17 и 18, силовой дроссель

19 с первичной 20 и вторичной 21 обмотками, находящимися на внутреннем керне силового дросселя 19 силового фильтра 14, и цепей формирования безопасной траектории переключения регулирующего транзистора 10, состоя. щих из последовательно соединенньгх демпфирующего 22 и коммутирующего 23 диодов, включенных встречно, и резистора 24, шунтирующего коммутирующий диод 23, а также дополнительногодвухобмоточного дросселя 25, находящегося на внешнем керне силового дросселя 19,4 вторичная обмотка 26 которого шунтирована сбросовой цепью из диода 27 и резистора 28, соединенных последовательно, Одна шина первичного источника питания соединяется через первичную обмотку 29 дополнительного двухобмоточного дросселя 25 с регулирующим .элементом 10, второй силовой вывод которого имеет общую точку соединения с конденсатором 17 силового фильтра 14 и преобразователем 2. Другая шина источника питания подключена к преобразователю 2 через первичную обмот9 4 ку 20 дросселя 19, причем блокирующий диод 15 одним электродом через параллельные цепочки из вторичной обмотки 26 дополнительного двухобмоточного дросселя 25 с числом витков, равным числу витков первичной обмотки 29, и последовательно соединенных диода 27 и резистора 28 также соединен с этой шиной источника питания, а вторым электродом — с выходом емкостного делителя, Вторичная обмотка 21 силового дросселя 19, число витков которой выбирается в данном случае равным количеству витков первичной обмотки 20, через коммутирующий диод 16 подключена параллельно конденсатору 17, который вместе с конденсатором 18 выполняет функции фильтрации в силовом фильтре 14 и используется для создания емкостного делителя напряжения полумостовой схемы преобразователя 2.

Лемпфирующая цепь 30 из демпфирующего 22 и коммутирующего 23 диодов и резистора 24 подключена параллельно цепи, состоящей из последовательно включенных регулирующего элемента 10 и вторичной обмотки 21 силового дросселя 19 силового фильтра 14, Транзисторы 7 и 8 преобразователя 2 подключены последовательно между собой и параллельно емкостному делителю и образуют полумостовой преобразователь, в диагональ которого включена первичная обмотка 4 силового трансформатора 3. Блок 13 сравнения,содержащий источник опорного напряжения, подключен к входу преобразователя 2, выход блока 13 сравнения подключен через усилитель 12 к входу широтноимпульсного модулятора (ИИМ) 11, выход которого подключен к управляющему входу регулирующего транзистора 10.

Система работает следующим образом.

Блок 13 сравнения в зависимости от возмущающего воздействия (изменения выходного напряжения стабилизатора 1, сопротивления гальванически развязанной нагрузки 6, параметров элементов стабилизатора 1 и преобразователя 2) изменяет через усилитель 12 коэффициент заполнения ШИМ 11 таким образом, чтобы сохранить напряжение на преобразователе 2 прежним (до возмущающего воздействия), т.е. установленной величины (пренебрегаем статической ошибкой).

1513429

При квазиустановившемся режиме регулирующий элемент 10 переключается с постоянным коэффициентом заполнения, но при отсутствии цепей формирования безопасной траектории перекхпо5 чения регулирующего элемента 10, т.е, без диодов 22, 23, 27, резисторов 24, 28 и обмоток 26, 29 дополнительного двухобмоточного дросселя 25. 10

При замкнутом состоянии регулирующего элемента 10 энергия от первичного источника питания поступает через регулирующий элемент 10 и первичную обмотку 20 силового дросселя 19 в пре-15 образователь 2. При этом в интервале открытого состояния регулирующего элемента 10 ток в первичной обмотке 20 увеличивается от минимального значения (меньше среднего значения 20 тока нагрузки). При токе в первичной обмотке 20 меньше среднего напряжение на конденсаторах 17 и 18 уменьшается, а при токе в первичной обмотке 20 больше среднего напряжение на 25 конденсаторах 17 и 18 увеличивается.

Номинальные значения напряжений конденсаторов 17 и 18 не превышают заданной величины.

Напряжение на первичной 20 и вто- 30 ричной 21 обмотках силового дросселя 19 при открытом состоянии регулирующего элемента 10, по величине равные друг другу, определяются разностью напряжения первичного источника U и выходного напряжения стаП билизатора 1 U . Соответственно, Вых напряжения, приложенные к закрытым блокирующему 15 и коммутирующему 16 диодам, также равны, и по величине 40 определяются суммой половины напряжения на входе преобразователя 2 и напряжения на первичной обмотке 20 (вторичной 21) силового дросселя 19.

При выключенном состоянии регулирую- 45 щего элемента 10 напряжение на обмотках 20 и 21 силового дросселя 19 сменяет полярность на противоположную и накопленная энергия в силовом дросселе 19 отдается в преобразователь 2через обмотки 20 и.21 и открытые блокирующий 15 и коммутирующий 16 диоды. Так как число витков обмоток 20 и 21 силового дросселя

19 равно, то энергия, равна, равны и напряжения на конденсаторах 17 и 18. При этом напряжение, приложенное к закрытому регулирующему элементу 10, определяется разностью первичного источника питания и половины напряжения на входе преобразователя 2.

При увеличении количества вторичных обмоток силового дросселя 19 напряжение, прикладываемое к закрытым силовым коммутирующим элементам, уменьшается. При этом преобразователь 2 может подключаться непосредственно к выводам для подключения нагрузки стабилизатора 1. На этапе включения регулирующего элемента 10, когда происходит рассасывание неосновных носителей в области базы блокирующего диода 15, ток в коллекторной цепи регулирующего элемента 10 начинает нарастать при одновременном убывании в цепи блокирующего диода 15. Регулирующий элемент 10 на этом этапе работает в режиме сверхтоков под действием приложенного к нему напряжения, равного разности

U „ - V„„/2, которое при повышенном напряжении источника питания достигает значительной величины, 1

Ток коллекторной цепи регулирующего транзистора 1О, в частном случае кОгда 7 + с и ь g ) g мОжет достигнуть очень больших величин, стремясь к значению I s„ ° В „„, где время жизни избыточных носителей в области базы диода; — постоянная времени транзистора; — постоянная времени нарастания базового тока транзистора; Т вЂ” ток базы насыщения, В„, — интегральное значение коэффициента усиления транзистора при включении. В результате этого динамические потери при включении могут достигнуть значительной величины, что вызовет локальный перегрев р-и переходов. регулирующего транзистора 10 и блокирующего диода 15.

На этапе выключения регулирующего элемента 10 после рассасывания избыточных носителей заряда в области базы происходит спад коллекторного тока при одновременном нарастании напряжения на регулирующем транзисторе 10. При этом величина динамических потерь при выключении всегда превышает потери включения. Кроме того,область безопасной работы более низковольтных и быстродействующих транзисторов уже, чем у высоковольтных транзисторов, что может вызвать склон- ность к вторична у пробою регулирующе1513429 го элемента 10 ° При коммутации регулирующего элемента 10 возникает высокий уровень помех, наводимых в сеть питания, 5

Система при наличии цепей формирования безопасной траектории переклю чения регулирующего элемента 10 рабоает следующим образом.

Процесс переключения регулирующего 10 лемента 10 сопровождается довольно ольшими потерями, способными вывести го из строя, а также имеется высокий ровень помех, наводимых в сеть питаия. Поэтому на этапе включения регу- 15 ирующего элемента 10 дополнительный вухобмоточный дроссель 25 ограничиает амплитуду коммутационного колекторного тока регулирующего элемена 10 на уровне заданного

+ (Пд П вы„é к. макс

1 дол -де 1,,„ — индуктивность дополнительного двухобмоточного дрос- 25 селя 25;

С, „- время рассасывания неосновных носителей в базе блокирующего диода 15, И снижае г уровень помех, генерируемых 30 в сеть питания, эффективнее, чем дрос;сель, установленный только в цепи регулирующего элемента 10 или только в цепи блокирующего диода 15.

Кроме того, обеспечивается сдвиг фронта тока регулирующего элемента 10 относительно фронта напряжения на нем, что значительно уменьшает потери на регулирующем элементе 10 при включе" 40 нии. Величина индуктивности дополни-тельного двухобмоточного дросселя 25 в четыре раза больше величины индуктивности обмоток 26 и 29, так как при включении регулирующего элемен- 45 та 10 они соединяются согласно последовательно. После восстановления обратного сопротивления блокирующего диода 15 ток проходит только по первичной обмотке 29 с индуктивностью, равной 4,„ /4, а вторичная обмотка 26 сбрасывает накопленную за коммутационный период энергию через диод 27 на резистор 28, В остальном процессы в системе при включенном

55 состоянии регулирующего элемента 10 аналогичны описанным, за исключением того, что первичная обмотка 29 дополнительного двухобмоточ гого дросселя 25 в какой-то степени компенсирует намагничивание магнитопровода силового дросселя !9 от первичной обмотки 20, так как эти обмотки магнитосвязаны и включены встречно, что повышает эффективное значение индуктивности силового дросселя 19 силового фильтра 14, Для сдвига фронтов тока и напряжения при выключении регулирующего элемента 10 используется высокоэффективная демпфирующая цепочка 30 из демпфирующего диода 22, коммутирующего диода 23 и резистора 24, которая, шунтируя выходную цепь регулирующего элемента 10 на интервале спада коллекторного тока диодом 23, включенным в прямом направляении, позволяет снизить потери в регулирующем транзисторе в

15-20 раз, что повышает устойчивость к вторичному пробою в случае, если время восстановления обратного сопротивления t < диода 22 равно или

Иос. овр больше времени спада t тока коллексв тора регулирующего элемента 10,В качестве дополнительного источника для накопления неосновных носителей в базе дмпфирующего диода 22 используется вторичная обмотка 21 силового дросселя 19 силового фильтра 14, которая при включенном состоянии регулирующего элемента 10 имеет полярность, прямосмещающую демпфирующий диод 22 через резистор 24 и открытый регули-. рующий транзистор 10, и создает ток, равный 0,1 от максимального тока регулирующего транзистора 10. При выключении регулирующего элемента 10 на нем увеличивается коллекторное напряжение и увеличивается, сменив полярность для рекуперации, напряжение на обмотках ? 1 и 20 силового дросселя 19, включается второй коммутирующий диод 23 и, шунтируя ограничительный резистор 24, устанавливает близкое к нулю напряжение ча регулирующем элементе 10 в течение времени с, диода 22. Если время ав„, равно или больше времени t „ тока ?г„ то на коллекторе регулирующего транзистора 10 выделится незначительная мощность и его рабочая точка не выйдет из области безопасной работы.

После процесса рассасывания неосновных носителей для демпфирующего диода 22, в течение которого через него проходит разностный ток первич9 5134 ного источника и коллектора регулирующего транзистора 10, на нем устанавливается суммарное напряжение регулирующего элемента 10 и конденсатора 17 емкостного делителя. При выклю5 ченном состоянии регулирующего элемента 10 открывается блокирующий диод 15, пропускающий ток рекуперации через вторичную обмотку 26 дополнительного двухобмоточного дросселя 25 при одновременном сбросе на цепь из резистора 28 и диода 27 энергии, накопленной в обмотке 29 за предыдущую часть периода коммутации регулирующего элемента 10. Таким образом, дополнительный двухобмоточный дроссель 25 работает в режиме перемагничивания, что вызывает меньшее изменение его индуктивности. 20

Предлагаемая система имеет повышенную эксплуатационную надежность ввиду наличия цепей формирования безопасной траектории переключения регулирующего элемен.а, сравнительное 25 небольшое увеличение объема, занимаемое элементами этих цепей из-за совмещения электромагнитных элементов с дросселем силового фильтра стабилизатора. Кроме того, регулирующий элемент имеет повьппенную динамическую устойчивость к вторичному пробою при плавном запуске стабилизатора, что является обязательным условием включения полупроводниковых преобразователей, работающих на. повышенных питающих напряжениях, Формула и з о б р е т е н и я

1. Система стабильного электропитания, содержащая импульсный стабили- 4О затор напряжения, состоящий из регулирующего элемента, силового фильтра, включающего два последовательно соединеных конденсатора, образующих емкОстной делитель силоВОЙ рВух 45 обмоточный дроссель, блокирующий и первый коммутирующий диоды, причем один электрод блокирующего диода подключен к выходу емкостного делителя, который через первый коммутирую-50 щий диод соединен с одним из выводов вторичной обмотки силового дросселя, первый вывод первичной обмотки которого подключен к первому входному

ВыВоду емкостнОГО делителя ВхОдОм соединеннрго с входом блока сравнения, выход которого через последовательно соединенные усилитель постоянного тока и широтно- импульсный модулятор

29 10 соединен с управляющим входом регули- рующего элемента, и преобразователь постоянного напряжения в переменное, состоящий из двух последовательно соединенных транзисторов, подключенных параллельно укаэанному емкостному делителю и образующих вместе с ним полумостовой преобразователь, в диагональ которого включена первичная обмотка силового трансформатора, вторичной обмоткой соединенного с выходными выводами, и узла управления,вы-. ходы которого подключены к управляющим входам указанных транзисторов, отличающаяся тем, что, с целью повышения эксплуатационной надежности, в импульсный стабилизатор напряжения введены дополнительный двухобмоточный дроссель и демпфирующая цепь из последовательно соединенных демпфирующего и второго коммутирующего диодов, включенных встречно, и первого резистора, шунтирующего второй коммутирующий диод, причем первичная обмотка дополнительного дросселя включена ме;кду первым входным выводом и первым силовым выводом регулирующего элемента, а вторичная обмотка — между вторым входным Выводом и другим электродом блокирующего диода и зашунтирована

Введенной сбросовой цепью, состоящей из последовательно соединенных диода и второго резистора, при этом диод включен в том же направлении, что и блокирующий диод, а обмотки дополнительного дросселя включены согласно, указанная демпфирующая цепь включена между точкой соединения регулирующего транзистора с первичной обмоткой дополнительного дросселя и точкой соединения первого коммутирующего диода с вторичной обмоткой силового дросселя, другой вывод которой подключен к точке соединения второго силового вывода регулирующего элемента с вторым входным выводом емкостного делителя, второй вывод первичной обмотки силового дросселя соединен с вторым входным выводом.

?. Система по п.1, о т л и ч а ющ а я с я тем, что, с целью уменьшения габаритов электромагнитных элементов, обмотки дополнительного дросселя намотаны на внешнем керне силового дросселя, причем соответствующие обмотки обоих дросселей включены встречно.