СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ КВАЗИРЕЗОНАНСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
STABILISED QUASI-RESONANT CONVERTER

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в системах электропитания устройств радиотехники, автоматики и вычислительной техники.
Известен преобразователь постоянного напряжения в переменное, описанный в А.С. СССР №1285552, МПК Н02М 7/519. Преобразователь постоянного напряжения в переменное / Шварц А.Н., Курчик А.Н. (СССР). - №3872061/24-07; заявл. 11.01.85; опубл. 23.01.87, бюл. №3. Преобразователь содержит последовательный резонансный инвертор с выходным трансформатором и узлом рекуперации избыточной энергии этого трансформатора. К вторичной обмотке трансформатора, выполненной со средним выводом, через тиристорный делитель частоты подключена цепь нагрузки, дроссель и два диода, анод первого из которых подключен к концу вторичной обмотки трансформатора, а анод второго через последовательно включенный дроссель - к началу этой обмотки, причем тиристорный делитель частоты выполнен мостовым и подключен анодной группой к катодам диодов, а катодной - к среднему выводу вторичной обмотки трансформатора.
Недостатком этого преобразователя являются ограниченные возможности в регулировании выходного напряжения. Регулирование в них может осуществляться только при использовании частотно-импульсной модуляции. Недостатки такого способа известны: ограниченный диапазон регулирования, необходимость использования трансформатора, рассчитанного на сравнительно низкую частоту, что снижает его КПД и, следовательно, КПД всего устройства, приводит к увеличению габаритов и массы как трансформатора, так и конденсатора фильтра.
Устройством, принятым за прототип, является резонансный преобразователь с широтно-импульсной модуляцией, описанный в патенте РФ №2110881, МПК6 Н02М 7/515, 7/523. Резонансный преобразователь с широтно-импульсной модуляцией / Стрелков В.Ф.; заявитель и патентообладатель ННИИРТ - заявка №95114324/07(024320); заявл. 10.08.95; опубл. 10.05.98, бюл. №13. Это устройство является наиболее близким по технической сущности и положительному эффекту.
Резонансный преобразователь с широтно-импульсной модуляцией содержит два последовательно соединенных рекуперирующих диода, резонансный дроссель, два последовательно соединенных резонансных конденсатора, включенных между положительной и отрицательной клеммами источника питания, две последовательно соединенные силовые цепи, каждая из которых образована последовательно включенными зарядным тиристором и первичной обмоткой трансформатора, вторичные обмотки трансформатора и два диода, образующие схему выпрямления со средней точкой, подключенную к резистору нагрузки, анод зарядного тиристора первой силовой цепи соединен с концом одной первичной обмотки трансформатора, начало которой подключено к положительной клемме источника питания, его катод соединен с анодом зарядного тиристора второй силовой цепи, катод которого подключен к концу другой первичной обмотки трансформатора, начало которой соединено с отрицательной клеммой источника питания. Точка соединения анода и катода двух зарядных тиристоров через резонансный дроссель подключена к общей точке резонансных конденсаторов, каждая силовая цепь шунтирована встречно-параллельно соединенными модулирующим тиристором и рекуперирующим диодом так, что анод первого модулирующего диода соединен с положительной клеммой источника питания, а катод - с общей точкой двух зарядных тиристоров и анодом второго модулирующего тиристора, катод которого подключен к отрицательной клемме источника питания, резистор нагрузки шунтирован конденсатором фильтра.
Недостатком вышеуказанного преобразователя является наличие в резонансной цепи двух конденсаторов, разброс номинальной емкости которых может достигать ±20%. Кроме того, первичных обмоток силового трансформатора также две и они не являются идентичными. Отмеченные факторы приводят к разной величине токов, протекающих в течение полупериода через каждую первичную обмотку силового трансформатора, что вызывает появление постоянной составляющей магнитного потока в магнитопроводе силового трансформатора и, в свою очередь, приводит к насыщению силового трансформатора и короткому замыканию в его цепях. Устранить это явление можно установкой диэлектрического зазора в магнитопроводе силового трансформатора, однако это уменьшает магнитную проницаемость магнитопровода, что заставляет увеличивать количество витков обмоток силового трансформатора. В результате происходит уменьшение КПД силового трансформатора, увеличение его массы, габаритов и, следовательно, уменьшение КПД и увеличение массы и габаритов преобразователя.
В качестве ключевых элементов в схеме прототипа используются тиристоры, которые являются довольно низкочастотными полупроводниковыми приборами, что не позволяет создавать высокочастотные преобразователи с силовым трансформатором и элементами входного и выходного фильтров небольшой массы и габаритов.
Кроме того, для управления тиристорами необходима схема, обеспечивающая формирование импульсов, включающих зарядные и модулирующие тиристоры, т.е. в схеме должны быть использованы три управляющих трансформатора, так как на каждый модулирующий тиристор необходимо подавать импульс со сдвигом во времени относительно импульса, подаваемого на соответствующий зарядный тиристор. Схема получается довольно сложной, что снижает ее надежность и увеличивает массу и габариты.
Техническим результатом изобретения является увеличение КПД и надежности резонансного преобразователя, уменьшение его массы и габаритов.
Технический результат достигается тем, что в стабилизированный резонансный преобразователь, содержащий два последовательно соединенных рекуперирующих диода, катод одного из которых подключен к положительной клемме источника питания, а анод другого - к его отрицательной клемме, резонансные конденсатор и дроссель, силовой трансформатор с двумя вторичными обмотками, первая вторичная обмотка которого подключена к входу первого выпрямителя, подсоединенного выходом к резистору нагрузки, шунтируемому конденсатором фильтра, введены второй выпрямитель, два конденсатора, два зарядных и модулирующий МДП-транзисторы, схема управления, состоящая из цепи обратной связи по напряжению, управляющего трансформатора, двух ШИМ-контроллеров, однотактного, с времязадающими резистором и конденсатором, и двухтактного, при этом один из выводов резонансного дросселя соединен с началом первичной обмотки силового трансформатора, а другой - с резонансным конденсатором, второй вывод которого подключен к точке соединения рекуперирующих диодов и первого и второго последовательно соединенных зарядных МДП-транзисторов. Сток первого зарядного МДП-транзистора подключен к положительной клемме источника питания, а исток второго - к его отрицательной клемме. Параллельно зарядным МДП-транзисторам подключены два последовательно соединенных конденсатора, общая точка которых соединена с концом первичной обмотки силового трансформатора. Вторая вторичная обмотка силового трансформатора подключена к входу второго выпрямителя, соединенного выходом со сток-истоком модулирующего МДП-транзистора, исток которого соединен с истоком второго зарядного МДП-транзистора, а затвор - с инверсным выводом «А» однотактного ШИМ-контроллера. Одни выводы времязадающих резистора и конденсатора соединены с истоком модулирующего МДП-транзистора, а другие - соответственно с выводами «R» и «С» однотактного ШИМ-контроллера, вывод «IN» которого через цепь обратной связи по напряжению соединен с нагрузкой. Вывод «SYN» однотактного ШИМ-контроллера соединен с выводом «SYN» двухтактного ШИМ-контроллера, вывод «А» которого через управляющий трансформатор подключен к затвору первого зарядного МДП-транзистора, а вывод «В» - к затвору второго зарядного МДП-транзистора.
В схеме использован только один резонансный конденсатор, включенный последовательно с резонансным дросселем и первичной обмоткой силового трансформатора. При таком соединении элементов в первичной обмотке силового трансформатора отсутствует постоянная составляющая тока и намагничивание силового трансформатора не наблюдается. Нет необходимости в установке диэлектрического зазора в магнитопроводе силового трансформатора и увеличении количества витков его обмоток. Это обеспечивает получение высокого КПД силового трансформатора и, следовательно, всего преобразователя.
В схеме вместо двух модулирующих тиристоров используется только один модулирующий элемент - МДП-транзистор, не требующий управляющего трансформатора, т.е. из схемы управления исключены два управляющих трансформатора. Нет необходимости синхронизировать импульсы, подаваемые на модулирующий МДП-транзистор, с импульсами, подаваемыми на соответствующий зарядный МДП-транзистор. Так как при небольшой мощности преобразователя масса и габариты управляющего и силового трансформаторов соизмеримы, то происходит уменьшение количества элементов схемы, ее габаритов, массы, а также повышение надежности.
На чертеже представлена схема предлагаемого стабилизированного квазирезонансного преобразователя и приняты следующие обозначения:
1, 2 - первый и второй рекуперирующие диоды;
3 - положительная клемма источника питания;
4 - отрицательная клемма источника питания;
5 - резонансный дроссель;
6 - первичная обмотка силового трансформатора;
7 - силовой трансформатор;
8, 9 - зарядные МДП-транзисторы;
10 - резонансный конденсатор;
11, 12 - конденсаторы;
13 - первая вторичная обмотка силового трансформатора;
14 - первый выпрямитель;
15 - резистор нагрузки;
16 - конденсатор фильтра;
17 - вторая вторичная обмотка силового трансформатора;
18 - второй выпрямитель;
19 - модулирующий МДП-транзистор;
20 - однотактный ШИМ-контроллер;
21 - времязадающий резистор;
22 - времязадающий конденсатор;
23 - цепь обратной связи по напряжению;
24 - двухтактный ШИМ-контроллер;
25 - управляющий трансформатор.
Предлагаемый стабилизированный квазирезонансный преобразователь содержит резонансные дроссель 5 и конденсатор 10, силовой трансформатор 7 с первичной 6 и двумя вторичными 13 и 17 обмотками, два выпрямителя 14 и 18, два конденсатора 11 и 12, два зарядных 8, 9 и один модулирующий 19 МДП-транзисторы, резистор нагрузки 15 и конденсатор фильтра 16, схему управления, состоящую из цепи обратной связи по напряжению 23, управляющего трансформатора 25, однотактного 20 с времязадающими резистором 21 и конденсатором 22 и двухтактного 24 ШИМ-контроллеров, и два последовательно соединенных рекуперирующих диода 1,2. Катод диода 1 подключен к положительной клемме 3 источника питания, а анод диода 2 - к его отрицательной клемме 4. Один вывод резонансного дросселя 5 соединен с началом первичной обмотки 6 силового трансформатора 7, а другой - с первым выводом резонансного конденсатора 10, второй вывод которого подключен к точке соединения рекуперирующих диодов 1, 2 и последовательно соединенных зарядных МДП-транзисторов 8, 9. Сток первого зарядного МДП-транзистора 8 соединен с положительной клеммой 3 источника питания, а исток второго - с его отрицательной клеммой 4. Параллельно зарядным МДП-транзисторам 8, 9 подключены два последовательно соединенных конденсатора 11 и 12, их общая точка соединена с концом первичной обмотки 6 силового трансформатора 7. Первая вторичная обмотка 13 силового трансформатора 7 подключена к входу первого выпрямителя 14, выход которого соединен с резистором нагрузки 15, шунтируемым конденсатором фильтра 16. Вторая вторичная обмотка 17 силового трансформатора 7 соединена со вторым выпрямителем 18, подключенным к сток-истоку модулирующего МДП-транзистора 19, исток последнего соединен с отрицательной клеммой источника питания, а затвор - с инверсным выводом «А» однотактного ШИМ-контроллера 20, выводы «R» и «С» которого соответственно соединены с времязадающими резистором 21 и конденсатором 22, а вывод «IN» через цепь обратной связи по напряжению 23 - с нагрузкой. Вывод «SYN» однотактного ШИМ-контроллера 20 соединен с выводом «SYN» двухтактного ШИМ-контроллера 24, вывод «В» которого соединен с затвором зарядного МДП-транзистора 9. Вывод «А» двухтактного ШИМ-контроллера 24 для развязки подключен к затвору первого зарядного МДП-транзистора 8 через управляющий трансформатор 25.
Работа предлагаемого стабилизированного квазирезонансного преобразователя осуществляется следующим образом.
Питание ШИМ-контроллеров 20 и 24 осуществляется от дополнительного источника (не показан). С вывода «SYN» однотактного ШИМ-контроллера 20 формируемые им импульсы подаются на вывод «SYN» двухтактного ШИМ-контроллера 24, с вывода «А» которого через управляющий трансформатор 25 и с вывода «В» выходные импульсы соответственно подаются на затворы зарядных МДП-транзисторов 8 и 9. Частота генерации выходных импульсов ШИМ-контроллера 20 определяется времязадающими резистором 21 и конденсатором 22.
После включения питания ШИМ-контроллеров и подачи напряжения на клеммы 3, 4 начинается поочередное включение МДП-транзисторов 8, 9. При включении первого зарядного МДП-транзистора 8 прямой ток резонансного контура протекает по цепи: положительная клемма 3, сток-исток МДП-транзистора 8, резонансный конденсатор 10, резонансный дроссель 5, первичная обмотка 6 силового трансформатора 7, конденсатор 12, отрицательная клемма 4.
Поскольку сопротивление резонансного контура больше эквивалентного активного сопротивления резистора нагрузки 15, приведенного к эквивалентному активному сопротивлению первичной обмотки 6 силового трансформатора 7, то возникает обратный ток, который протекает по цепи: отрицательная клемма 4, конденсатор 12, первичная обмотка 6 силового трансформатора 7, резонансный дроссель 5, резонансный конденсатор 10, рекуперирующий диод 1, положительная клемма 3. Происходит рекуперация энергии в цепь питания преобразователя.
При включении второго зарядного МДП-транзистора 9 прямой ток резонансного контура протекает по цепи: положительная клемма 3, конденсатор 11, первичная обмотка 6 силового трансформатора 7, резонансный дроссель 5, резонансный конденсатор 10, сток-исток МДП-транзистора 9, отрицательная клемма 4. В этом случае также возникает обратный ток, который протекает по цепи: отрицательная клемма 4, рекуперирующий диод 2, резонансный конденсатор 10, резонансный дроссель 5, первичная обмотка 6 силового трансформатора 7, конденсатор 11, положительная клемма 3 источника питания. Происходит рекуперация энергии в цепь питания преобразователя.
Работа преобразователя начинается с плавного пуска. Цепь плавного пуска (не обозначена) в первый момент времени обеспечивает максимальную длительность импульса с инверсного выхода «А» однотактного ШИМ-контроллера 20, вследствие чего на затворе модулирующего МДП-транзистора 19 появляется постоянное напряжение. МДП-транзистор 19 через второй выпрямитель 18 осуществляет замыкание вторичной обмотки 17 силового трансформатора 7. При этом эквивалентное активное сопротивление первичной обмотки 6 силового трансформатора 7 становится практически равным нулю. Напряжение на выходе первого выпрямителя 14 и, следовательно, на резисторе нагрузки 15 также равно нулю.
Цепь плавного пуска постепенно уменьшает длительность импульса с вывода «А» однотактного ШИМ-контроллера 20. Наступает момент времени, когда модулирующий МДП-транзистор 19 через второй выпрямитель 18 не осуществляет замыкание вторичной обмотки 17 силового трансформатора 7, через первичную обмотку 6 силового трансформатора 7 начинает протекать ток, на выходе первого выпрямителя 14 и, следовательно, на резисторе нагрузки 15 появляется напряжение.
После окончания плавного пуска преобразователь переходит в режим стабилизации напряжения на резисторе нагрузки 15. При изменении уровня напряжения на резисторе нагрузки 15 происходит изменение длительности импульса с вывода «А» однотактного ШИМ-контроллера 20, так как напряжение резистора нагрузки 15 через цепь обратной связи по напряжению 23, состоящую из последовательно включенных делителя напряжения, регулирующего стабилитрона и оптодиода (не показаны), подается на вывод «IN» однотактного ШИМ-контроллера 20. Изменение длительности импульса, поступающего на затвор модулирующего МДП-транзистор 19, обеспечивает поддержание необходимого уровня напряжения на резисторе нагрузки 15.
При минимально допустимом напряжении на клеммах 3, 4 на затвор модулирующего МДП-транзистора 19 с вывода «А» однотактного ШИМ-контроллера 20 подается импульс минимальной длительности.
При обрыве цепи резистора нагрузки 15 цепь обратной связи по напряжению 23 и однотактный ШИМ-контроллер 20 обеспечивают увеличение длительности импульса с его вывода «А» и, соответственно, уменьшение тока на выходе второго выпрямителя 18. Вследствие этого величина напряжения на резисторе нагрузки 15 практически не увеличивается.
При коротком замыкании нагрузки напряжение на сопротивлении нагрузки 15 равно нулю. С однотактного ШИМ-контроллера 20 на затвор модулирующего МДП-транзистора 19 подается импульс минимальной длительности. При этом величина тока, протекающего в цепях первого выпрямителя 14, определяется волновым сопротивлением резонансного контура.
Увеличение КПД и надежности предлагаемого квазирезонансного преобразователя происходит за счет уменьшения количества витков силового трансформатора, использования высокочастотных МДП-транзисторов, уменьшения количества модулирующих элементов, упрощения схемы управления и отсутствия цепи обратной связи по току.