ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в модулях электропитания.

Известно устройство питания с защитой, описанное в авт. свид. СССР №1104623 по МПК Н 02 М 3/335 за 1984 г., содержащее переключающий транзистор, трансформатор, диодный выпрямитель и фильтр, причем начало первичной обмотки трансформатора соединено с плюсовым входным выводом, конец первичной обмотки трансформатора соединен с коллектором переключающего транзистора, эмиттер которого связан с минусовым входным выводом, а вторичная обмотка трансформатора через диодный выпрямитель и фильтр связана с плюсовым и минусовым выходными выводами для подключения нагрузки.

Недостатком известного устройства является относительно ненадежный его запуск с помощью запускающего резистора, связывающего своими выводами коллектор и базу переключающего транзистора, и конденсатора, включенного между базой переключающего транзистора и минусовым входным выводом. К величине емкости этого конденсатора предъявляются противоречивые требования с позиций запуска и с позиций режима работы устройства, что приводит к низкому КПД.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является преобразователь постоянного напряжения, описанный в патенте РФ №2070444, выданном по заявке №94036047/07 по МПК Н 02 М 3/335 от 28.09.1994 г., содержащий переключающий транзистор с режимными конденсатором и двумя резисторами на его выводах, трансформатор, выпрямитель, фильтр, затворный (в прототипе - базовый) резистор, блок управления (в прототипе - регулирующий транзистор), плюсовой и минусовой входные и выходные выводы, причем начало первичной обмотки трансформатора связано с плюсовым входным выводом, конец первичной обмотки трансформатора соединен со стоком переключающего транзистора, исток которого связан с минусовым входным выводом, а вторичная обмотка трансформатора через диодный выпрямитель и фильтр связана с плюсовым и минусовым выходными выводами, при этом выход блока управления через затворный резистор связан с затвором переключающего транзистора.

Недостатком известного преобразователя является использование в его блоке управления в цепи обратной связи второй вторичной обмотки трансформатора и регулирующего транзистора, которые являются относительно грубым элементом управления. Кроме того, в прототипе отсутствуют средства стабилизации режима работы, в том числе температурной, а отбор энергии в нагрузку идет только при открытом переключающем транзисторе (точнее при нарастании тока через него при его открывании и через первичную обмотку трансформатора, индуцирующего энергию через свою вторичную обмотку и далее через выпрямитель и фильтр - в нагрузку) и не используется энергия перемагничивания трансформатора при закрывании переключающего транзистора. Это существенно снижает КПД преобразователя (до 75%), приводит к нестабильности его выходных напряжения и тока и снижает допустимую плюсовую температуру корпуса преобразователя (до 85°С).

Целью изобретения является существенное увеличение КПД и плюсовой допустимой температуры корпуса преобразователя при повышении стабильности его выходных параметров за счет использования энергии перемагничивания при закрывании переключающего транзистора, одновременного использования двух согласованных обратных связей с выхода преобразователя - по напряжению и непосредственно из цепи переключающего транзистора - по току, обеспечивающих близкое к оптимальному управление переключающим транзистором.

Указанная цель достигается тем, что преобразователь постоянного напряжения, содержащий переключающий транзистор, трансформатор, выпрямитель, фильтр, затворный резистор, блок управления, плюсовой и минусовой входные и выходные выводы, причем первый вывод затворного резистора соединен с затвором переключающего транзистора, исток которого связан с минусовым входным выводом, начало первичной обмотки трансформатора связано с плюсовым входным выводом, конец первичной обмотки трансформатора связан со стоком переключающего транзистора, а вторичная обмотка трансформатора через выпрямитель и фильтр связана соответственно с плюсовым и минусовым выходными выводами первого канала блока каналов нагрузки, также содержит второй трансформатор с соответствующими элементами выпрямителя, а в качестве блока управления содержит шим-контроллер (шим-широтно-импульсный модулятор), третий трансформатор, три транзистора, токоизмерительный резистор, вторые вторичные обмотки первого и второго трансформаторов и управляемый стабилитрон, а также четыре диода, стабилитрон, двадцать три резистора и тринадцать конденсаторов, при этом начало первичной обмотки трансформатора соединено с первым выводом первого резистора, а ее конец - с началом первичной обмотки второго трансформатора, конец которой соединен со стоком переключающего транзистора, исток которого соединен с первыми выводами десятого, двенадцатого, тринадцатого и токоизмерительного резисторов, первого, третьего и четвертого конденсаторов, с началом второй вторичной обмотки первого трансформатора и со вторым выводом шим-контроллера, шестой выход которого соединен со вторым выводом затворного резистора, второй вывод токоизмерительного резистора соединен по постоянному току через входной фильтр с минусовым входным выводом и с первыми выводами пятого и шестого конденсаторов, второй вывод пятого конденсатора соединен с базой первого транзистора и первым выводом четырнадцатого резистора, второй вывод которого соединен со вторым выводом шестого конденсатора, коллектором первого транзистора и первым выводом восьмого резистора, второй вывод которого соединен с первыми выводами шестого и седьмого резисторов и базой второго транзистора, коллектор которого соединен с первыми выводами четвертого и пятого и вторым выводом седьмого резисторов, эмиттером третьего транзистора, восьмым выводом шим-контроллера и первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого соединен с пятым выводом шим-контроллера, с первыми выводами седьмого и тринадцатого конденсаторов, пятнадцатого резистора и концом вторичной обмотки третьего трансформатора, начало которой через прямо включенный третий диод соединено со вторыми выводами пятнадцатого резистора и седьмого конденсатора и с первым выводом одиннадцатого резистора, второй вывод которого соединен с третьим выводом шим-контроллера, с первыми выводами стабилитрона и девятого резистора, вторым выводом третьего конденсатора и коллектором третьего транзистора, база которого соединена со вторыми выводами пятого и десятого резисторов, эмиттер первого транзистора соединен со вторым выводом тринадцатого резистора, эмиттер второго транзистора соединен со вторыми выводами девятого и двенадцатого резисторов, вторые выводы четвертого и шестого резисторов и четвертого конденсатора соединены с четвертым выводом шим-контроллера, первый вывод которого через прямо включенный второй диод соединен со входом включения/выключения преобразователя и с первым выводом третьего резистора, второй вывод которого соединен с седьмым выводом шим-контроллера, со вторыми выводами первого и тринадцатого конденсаторов, стабилитрона и первого резистора и первым выводом второго резистора, второй вывод которого через обратно включенный первый диод соединен с концом второй вторичной обмотки первого трансформатора, начало первой вторичной обмотки второго трансформатора через соответствующие элементы выпрямителя соединено с плюсовым входом фильтра и с первыми входами девятнадцатого, двадцатого и двадцать первого резистора, а ее конец - с минусовым входом фильтра и с первыми выводами двадцать второго и двадцать третьего резисторов, одиннадцатого и двенадцатого конденсаторов и с первым выводом управляемого стабилитрона, второй вывод которого соединен с первыми выводами восемнадцатого резистора и девятого конденсатора, а третий вывод которого - со вторыми выводами двадцать первого, двадцать второго и двадцать третьего резисторов и девятого конденсатора и с первым выводом десятого конденсатора, второй вывод которого соединен со вторыми выводами двадцатого резистора и одиннадцатого конденсатора, второй вывод девятнадцатого резистора соединен со вторым выводом двенадцатого конденсатора, восемнадцатого резистора и первым выводом семнадцатого резистора, второй вывод которого соединен с концом первичной обмотки третьего трансформатора и с первым выводом восьмого конденсатора, второй вывод которого через шестнадцатый резистор соединен с началом первичной обмотки третьего трансформатора и через обратно включенный четвертый диод - с началом второй вторичной обмотки второго трансформатора, конец которой соединен с минусовым входом фильтра.

Говоря более простым языком, сущность изобретения состоит в уменьшении потерь энергии в процессе ее высокочастотного преобразования с помощью переключающего транзистора. Во-первых, как уже отмечалось, за счет использования дополнительной энергии перемагничивания при закрывании переключающего транзистора с помощью второго трансформатора. Во-вторых, за счет близкого к оптимальному управления самим переключающим транзистором с помощью специального блока управления, центральным элементом которого является шим-контроллер, обеспечивающий сужение импульсов вырабатываемой им двоичной последовательности, подаваемой на затвор переключающего транзистора, при росте тока этого транзистора и наоборот.

Технический результат изобретения состоит в повышении КПД на 10% и повышении допустимой плюсовой температуры корпуса преобразователя на 20% в сравнении с прототипом.

На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема преобразователя постоянного напряжения, а на фиг.2 даны эпюры, поясняющие работу преобразователя.

Преобразователь содержит переключающий транзистор 1 с полевым транзистором 1.1 и режимными резисторами 1.2, 1.3 и конденсатором 1.4, первый трансформатор 2 с первичной обмоткой 2.1, первой вторичной 2.2, второй вторичной 2.3 и третьей вторичной 2.4 обмотками, первый выпрямитель 3 с диодом 3.1, резистором 3.2 и конденсатором 3.3, а также диодом 3.4, резистором 3.5 и конденсатором 3.6, фильтр 4 с конденсаторами 4.1, 4.2, 4.3, дросселями 4.4, 4.5 и резистором 4.6, а также конденсаторами 4.7, 4.8, 4.9, дросселем 4.10 и резистором 4.11, затворный резистор 5, блок 6 управления, второй трансформатор 7 с первичной обмоткой 7.1, первой вторичной 7.2, второй вторичной 7.3 и третьей вторичной 7.4 обмотками, входной фильтр 8 с конденсаторами 8.1, 8.2, 8.3, 8.4, 8.5, дросселями 8.6, 8.7, второй выпрямитель 9 с диодом 9.1, резистором 9.2 и конденсатором 9.3, а также - диодом 9.4, резистором 9.5 и конденсатором 9.6, плюсовой 10 и минусовой 11 входы, плюсовой 12 и минусовой 13 выходы первого канала, вход 14 включения/выключения преобразователя, минусовой 15 выход второго канала, группа 16 элементов первого канала, группа 17 элементов второго канала, выводы 18, 19 корпуса, дополнительные фильтрующие конденсаторы 20, 21.

Блок 6 управления в свою очередь содержит шим-контроллер 6.1, токоизмерительный резистор 6.2, третий трансформатор 6.3 с первичной 6.3.1 и вторичной 6.3.2 обмотками, управляемый стабилитрон 6.4, первый, второй и третий транзисторы 6.5, 6.6 и 6.7, первый, второй и третий диоды 6.8, 6.9 и 6.10, стабилитрон 6.11, двадцать три резистора 6.12,...6.34, тринадцать конденсаторов 6.35,...6.47 и четвертый диод 6.48.

Вторичная обмотка 2.2 первого трансформатора 2 через выпрямитель 3 и фильтр 4 связана соответственно с плюсовым 12 и минусовым 13 выходными выводами первого канала 16, начало первичной обмотки 2.1 первого трансформатора 2 через входной фильтр 8 соединено с плюсовым выводом 10 и с первым выводом первого резистора 6.12, а ее конец - с началом первичной обмотки 7.1 второго трансформатора 7, конец которой соединен со стоком переключающего транзистора 1.1, исток которого соединен с первыми выводами десятого 6.21, двенадцатого 6.23, тринадцатого 6.24 и токоизмерительного 6.2 резисторов, первого 6.35, третьего 6.37 и четвертого 6.38 конденсаторов, с началом второй вторичной обмотки 2.3 первого трансформатора 2 и со вторым выводом шим-контроллера 6.1, шестой выход которого соединен со вторым выводом затворного резистора 5, второй вывод токоизмерительного резистора 6.2 соединен по постоянному току через входной фильтр 8 с минусовым входным выводом 11 и с первыми выводами пятого 6.39 и шестого 6.40 конденсаторов, второй вывод пятого конденсатора 6.39 соединен с базой первого транзистора 6.5 и первым выводом четырнадцатого резистора 6.25, второй вывод которого соединен со вторым выводом шестого конденсатора 6.40, коллектором первого транзистора 6.5 и первым выводом восьмого резистора 6.19, второй вывод которого соединен с первыми выводами шестого 6.17 и седьмого 6.18 резисторов и базой второго транзистора 6.6, коллектор которого соединен с первыми выводами четвертого 6.15 и пятого 6.16 и вторым выводом седьмого 6.18 резисторов, эмиттером третьего транзистора 6.7, восьмым выводом шим-контроллера 6.1 и первым выводом второго конденсатора 6.36, второй вывод которого соединен с пятым выводом шим-контроллера 6.1, с первыми выводами седьмого 6.41 и тринадцатого 6.47 конденсаторов, пятнадцатого резистора 6.26 и концом вторичной обмотки 6.32 третьего трансформатора 6.3, начало которой через прямо включенный третий диод 6.10 соединено со вторыми выводами пятнадцатого 6.26 резистора и седьмого конденсатора 6.41 и с первым выводом одиннадцатого резистора 6.22, второй вывод которого соединен с третьим выводом шим-контроллера 6.1, с первыми выводами стабилитрона 6.11 и девятого резистора 6.20, вторым выводом третьего конденсатора 6.37 и коллектором третьего транзистора 6.7, база которого соединена со вторыми выводами пятого 6.16 и десятого 6.21 резисторов, эмиттер первого транзистора 6.5 соединен со вторым выводом тринадцатого резистора 6.24, эмиттер второго транзистора 6.6 соединен со вторыми выводами девятого 6.20 и двенадцатого 6.23 резисторов, вторые выводы четвертого 6.15 и шестого 6.17 резисторов и четвертого конденсатора 6.38 соединены с четвертым выводом шим-контроллера 6.1, первый вывод которого через прямо включенный второй диод 6.9 соединен со входом 14 включения/выключения преобразователя и с первым выводом третьего резистора 6.14, второй вывод которого соединен с седьмым выводом шим-контроллера 6.1, со вторыми выводами первого 6.35 и тринадцатого 6.47 конденсаторов, стабилитрона 6.11 и первого резистора 6.12 и первым выводом второго резистора 6.13, второй вывод которого через обратно включенный первый диод 6.8 соединен с концом второй вторичной обмотки 2.3 первого трансформатора 2, начало первой вторичной обмотки 7.2 второго трансформатора 7 через соответствующие элементы выпрямителя 9 соединено с плюсовым входом фильтра 4 и с первыми входами девятнадцатого 6.30, двадцатого 6.31 и двадцать первого 6.32 резисторов, а ее конец - с минусовым входом фильтра 4 и с первыми выводами двадцать второго 6.33 и двадцать третьего 6.34 резисторов, одиннадцатого 6.45 и двенадцатого 6.46 конденсаторов и с первым выводом управляемого стабилитрона 6.4, второй вывод которого соединен с первыми выводами восемнадцатого резистора 6.29 и девятого конденсатора 6.43, а третий вывод которого - со вторыми выводами двадцать первого 6.32, двадцать второго 6.33 и двадцать третьего 6.34 резисторов и девятого конденсатора 6.43 и с первым выводом десятого конденсатора 6.44, второй вывод которого соединен со вторыми выводами двадцатого резистора 6.31 и одиннадцатого конденсатора 6.45, второй вывод девятнадцатого резистора 6.30 соединен со вторым выводом двенадцатого конденсатора 6.46, восемнадцатого резистора 6.29 и первым выводом семнадцатого резистора 6.28, второй вывод которого соединен с концом первичной обмотки 6.3.1 третьего трансформатора 6.3 и с первым выводом восьмого конденсатора 6.42, второй вывод которого через шестнадцатый резистор 6.27 соединен с началом первичной обмотки 6.3.1 третьего трансформатора 6.3 и через обратно включенный четвертый диод 6.48 - с началом второй вторичной обмотки 7.3 второго трансформатора 7, конец которой соединен с минусовым входом фильтра 4.

В качестве комплектующих элементов в преобразователе используются широко применяемые в промышленности электрорадиоэлементы, например, для 10-ватного двухканального преобразователя наилучшие результаты (КПД 85% и допустимая плюсовая температура его корпуса 115°С) получены автором при использовании в качестве основных элементов:

- полевого транзистора КП767А (эл. 1.1);

- шим-контроллера КР1033ЕУ15БТ (эл. 6.1);

- термочувствительного резистора 0603PRG18B330MB1RB33e350Ma (эл. 6.16);

- транзисторов 2Т3130А9 (эл. 6.5, 6.6);

- транзистора 2Т3129А9 (эл. 6.7);

- трансформатора МП140К10×6×3 (эл. 2);

- трансформатора М2000НМ1-17(ОСМ2000НМ1-5)К10×6×3 (эл.7);

- трансформатора М2000К5×3×1,5 (эл. 6.3).

Фильтры 4 и 8 и выпрямитель 3 выходят за рамки рассматриваемого технического решения и могут иметь другие схемы исполнения.

В качестве токоизмерительного резистора 6.2 необходимо использовать резистор как можно меньшего номинала (чтобы уменьшить на нем потери энергии и тем самым увеличить КПД в целом) и высокой точности (чтобы точнее измерять ток в цепи переключающего транзистора 1.1 и оптимально управлять им, что также увеличивает КПД преобразователя). Наилучшие результаты дает напыление резистора 6.2 на печатной плате преобразователя. Также хорошие результаты получены при параллельном соединении нескольких стандартных резисторов с минимальным номиналом и достижении номинала резистора 6.2, составляющего доли Ом.

Устройство работает следующим образом.

После подачи на входы 10 и 11 (фиг.1) исходного (преобразуемого) постоянного напряжения его плюсовой и минусовой потенциалы прикладываются к шим-контроллеру 6.1 (соответственно на 6.1/7 - плюс и на 6.1/5 - минус).

Через вход 14 включения/выключения преобразователя и далее через вход 6.1/1 шим-контроллера 6.1 последний активизируется (при подачи плюсового потенциала) и начинает на своем выходе 6.1/6 формировать "бесконечную" последовательность импульсов (до выключения преобразователя путем подачи на вход 14 отрицательного потенциала) с некоторой частотой их следования, например, 100 КГц, которая задается параметрами RC-цепочки из резистора 6.15 и конденсатора 6.38, включенной между выводами опорного напряжения и общей шины 6.1/8 и 6.1/5 соответственно, средняя точка которой связана с частотозадающим входом 6.1/4 шим-контроллера 6.1.

Эта последовательность импульсов через затворный резистор 5 подается на затвор переключающего транзистора 1.1 (фиг.2 эпюра Uзатвора, эл. 1.1), открывая и закрывая его с частотой следования этих импульсов (фиг.2 эпюра Uси, эл. 1.1). Благодаря этому с помощью первичной 2.1 и вторичной 2.2 обмоток трансформатора 2 и первичной 7.1 и вторичной 7.2 обмоток трансформатора 7 происходит высокочастотное преобразование входного постоянного напряжения, приложенного к выводам 10 и 11, в импульсное напряжение на вторичных обмотках 2.2 (фиг.2 эпюра Uэл. 2.2), и 7.2 (фиг.2 эпюра Uэл. 7.2), которое через выпрямитель 3 и фильтр 4 поступает на выводы 12 и 13 для питания нагрузки.

При этом на вход 3 шим-контроллера 6.1 одновременно и согласованно воздействуют:

- сигнал обратной связи, зависящий от изменения тока переключающего транзистора 1.1 (с резистора 6.2 через транзисторы 6.5 и 6.6 и далее - через резистор 6.20);

- сигнал обратной связи, зависящий от изменения выходного напряжения преобразователя на выходе выпрямителя (от точек Б и В через управляемый стабилитрон 6.4, трансформатор 6.3 и резистор 6.22);

- сигнал тепловой защиты, срабатывающей при превышении температуры корпуса преобразователя в результате изменения величины термочувствительного резистора 6.16 и перераспределения токов каскада на транзисторе 6.7 с резисторами 6.16, 6.21, 6.26 и конденсатором 6.41.

От входа 3 шим-контроллера 6.1 внутри последнего суммарный сигнал прикладывается к измерительному входу компаратора контроля, ко второму входу которого подается фиксированное опорное напряжение. С выхода компаратора контроля сигнал поступает на шим-компаратор, имеющий квазикомплементарный выход, связанный с выходом 6 шим-контроллера 6.1, рассчитанным на значительные броски тока (как стекающего, так и вытекающего), обеспечивающим работу на нагрузку типа n-канального полевого транзистора 1.1 с изолированным затвором и имеющим низкий логический уровень в отключенном состоянии.

В процессе преобразования при чрезмерном возрастании тока, протекающего через транзистор 1.1, происходят нежелательные потери энергии, поэтому при достижении определенного значения этого тока на резисторе 6.2, выполняющем роль токоизмерительного элемента, выделяется соответствующее напряжение, которое затем усиливается на каскаде с транзистором 6.5 и передается через эмиттерный повторитель на транзисторе 6.6 через резистор 6.20 на вход 6.1/3 шим-контроллера 6.1.

Параллельно с управлением транзистором 1.1 по току осуществляется стабилизирующее управление им по напряжению и по температуре его корпуса.

В результате этих процессов происходит тонкое импульсное управление транзистором 1.1: чем больше ток транзистора 1.1 (или больше выходное напряжение преобразователя), тем уже импульс управления им и наоборот. Это снижает потери энергии и повышает КПД.

Выводы шим-контроллера 6.1 являются:

1 - входом включения/выключения,

2 - входом минусового питания,

3 - входом измеряемой величины,

4 - частотозадающим входом,

5 - общим входом,

6 - выходом последовательности импульсов,

7 - входом плюсового питания,

8 - выходом опорного напряжения.