СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ КВАЗИРЕЗОНАНСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
STABILIZED QUASI-RESONANCE CONVERTER

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для заряда емкостных накопителей в радиоэлектронных, электрофизических и электротехнологических установках.
Известен резонансный преобразователь с широтно-импульсной модуляцией, описанный в патенте №2110881, РФ, заявка №95114324 от 10.08.95 г., МПК Н02М 02/515, 7/523, В.Ф.Стрелков, опубл. 10.05.98. Он содержит два последовательно соединенных рекуперирующих диода, резонансный дроссель, два последовательно соединенных резонансных конденсатора, включенных между положительной и отрицательной клеммами источника питания. Преобразователь также содержит две последовательно соединенные силовые цепи, каждая из которых образована последовательно включенным зарядным тиристором и первичной обмоткой трансформатора. Вторичные обмотки трансформатора и два диода образуют 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. Катод зарядного тиристора первой силовой цепи соединен с анодом зарядного тиристора второй силовой цепи. Катод зарядного тиристора второй силовой цепи подключен к концу второй 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 соединенными встречно-параллельно модулирующим тиристором и рекуперирующим диодом. Анод первого модулирующего тиристора соединен с положительной клеммой источника питания, а катод - с общей точкой двух зарядных тиристоров и анодом второго модулирующего тиристора. Катод второго модулирующего тиристора подключен к отрицательной клемме источника питания, резистор нагрузки шунтирован конденсатором фильтра.
Недостатком схемы аналога является наличие в резонансной цепи двух конденсаторов. Разброс номинальной емкости этих конденсаторов достигает ±20%. Кроме того, первичных обмоток силового трансформатора тоже две и они не являются идентичными. Отмеченные факторы приводят к разной величине токов, протекающих в течение полупериода через каждую первичную обмотку силового трансформатора. Указанное явление вызывает появление постоянной составляющей магнитного потока в магнитопроводе силового трансформатора, что приводит к насыщению силового трансформатора и короткому замыканию в его цепях. Устранить это явление можно установкой диэлектрического зазора в магнитопроводе силового трансформатора. Однако это приводит к уменьшению магнитной проницаемости магнитопровода и необходимости увеличения количества витков в обмотках силового трансформатора. Происходит уменьшение КПД силового трансформатора, увеличение его массы и габаритов, что в свою очередь, приводит к уменьшению КПД всего преобразователя, увеличению его массы и габаритов.
В качестве ключевых элементов в схеме аналога используются тиристоры, которые являются низкочастотными полупроводниковыми приборами. Это не позволяет создавать высокочастотные преобразователи с силовым трансформатором и элементами входного и выходного фильтров, имеющие небольшую массу и габариты.
Кроме того, в схеме использованы три импульсных трансформатора для включения зарядных и модулирующих тиристоров, что также усложняет схему и повышает массогабаритные показатели преобразователя. При небольшой мощности преобразователя габариты и масса силового и управляющего трансформаторов соизмеримы.
Все вышеперечисленные недостатки ограничивают область применения данной схемы преобразователя.
Устройством, принятым за прототип, является стабилизированный квазирезонансный преобразователь (патент №2385526, РФ, заявка №2009110643 от 23.03.09 г., МПК Н02М 7/53846, В.П.Кириенко и В.Ф.Стрелков, опубл. 27.03.10 г.). Это устройство является наиболее близким по технической сущности и положительному эффекту.
Стабилизированный квазирезонансный преобразователь содержит два последовательно соединенных рекуперирующих диода, катод одного из которых подключен к положительной клемме источника питания, а анод другого - к его отрицательной клемме, силовой трансформатор с двумя вторичными обмотками. Первая вторичная обмотка силового трансформатора подключена к входу первого выпрямителя, выход которого соединен с резистором нагрузки, который шунтируется конденсатором фильтра. Первый вывод резонансного дросселя соединен с входом первичной обмотки силового трансформатора. Первый и второй последовательно соединенные зарядные МДП-транзисторы подключены так, что сток первого подключен к положительной клемме источника питания, а исток второго - к его отрицательной клемме. Точка соединения обоих зарядных МДП-транзисторов подключена к точке соединения рекуперирующих диодов, а также к первому выводу резонансного конденсатора, второй вывод которого подключен ко второму выводу резонансного дросселя. Два последовательно соединенных конденсатора подключены параллельно зарядным МДП-транзисторам, их общая точка соединена с выходом первичной обмотки силового трансформатора. Вторая вторичная обмотка силового трансформатора подключена к входу второго выпрямителя, выход которого подключен к переходу сток-исток модулирующего МДП-транзистора. Исток модулирующего МДП-транзистора соединен с истоком второго зарядного МДП-транзистора, а затвор - с инверсным выходом «А» однотактного ШИМ-контроллера. Первые выводы времязадающих резистора и конденсатора подключены к выводам «R» и «С» однотактного ШИМ-контроллера, а вторые выводы - к истоку модулирующего МДП-транзистора. Вход «IN» однотактного ШИМ-контроллера через цепь обратной связи по напряжению соединен с конденсатором фильтра. Вывод цепи синхронизации «SYN» однотактного ШИМ-контроллера подключен к выводу «SYN» двухтактного ШИМ-контроллера, выход «А» которого через управляющий трансформатор подключен к затвору первого зарядного МДП-транзистора, а выход «В» - к затвору второго зарядного МДП-транзистора.
Для квазирезонансных преобразователей большой мощности размещение в трансформаторе второй вторичной обмотки не всегда является рациональным:
- наличие второй вторичной обмотки увеличивает габариты и массу трансформатора;
- в процессе работы, когда на затвор модулирующего МДП-транзистора подается импульс максимальной длительности, трансформатор работает в режиме короткого замыкания. Ток зарядного контура протекает по первичной обмотке, второй вторичной обмотке трансформатора, второму выпрямителю, модулирующему МДП-транзистору, т.е. увеличиваются потери мощности, снижается КПД преобразователя.
В схеме прототипа модулирующий МДП-транзистор начинает шунтировать вторичную обмотку трансформатора при протекании через нее сначала обратной полуволны тока резонансного контура, а затем прямой полуволны. Поэтому регулирование, с сохранением достаточно высокого коэффициента стабилизации, может осуществляться лишь в сравнительно небольшом диапазоне, т.е. до момента времени, когда ток во вторичной обмотке трансформатора меняет направление и переходит из прямого в обратный.
Кроме того, обратная связь по напряжению осуществляется довольно сложной цепью и содержит много элементов: делитель напряжения, регулируемый стабилизатор, оптодиод. Длина электрической связи от делителя напряжения до ШИМ-контроллера достаточно большая. Это требует тщательной топологии печатной платы. Оптодиоды при различной температуре имеют большой разброс по коэффициенту передачи. Для устойчивой работы преобразователя в этих условиях необходима установка интегрирующих звеньев в цепях коррекции ШИМ-контроллера. Однако это снижает быстродействие обратной связи по напряжению. В этих условиях достаточно сложно получить низкую динамическую нестабильность напряжения на конденсаторе выходного фильтра.
Общим недостатком схем аналога и прототипа является использование в них цепи модуляции, действующей с частотой, равной рабочей частоте преобразователя. Для реализации такого принципа модуляции устанавливаются дополнительные элементы, такие как: вторая вторичная обмотка силового трансформатора, второй выпрямитель, модулирующий МДП-транзистор, сложная цепь обратной связи по напряжению.
Все вышеперечисленные недостатки ограничивают область применения данных преобразователей.
Технический результат изобретения - расширение области применения квазирезонансного преобразователя с обеспечением низкой динамической нестабильности напряжения на конденсаторе выходного фильтра при одновременном повышении КПД и улучшении его массогабаритных показателей.
cc
ref
Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом стабилизированном квазирезонансном преобразователе, содержащем источник питания, два последовательно включенных зарядных МДП-транзистора, два последовательно соединенных рекуперирующих диода, два последовательно соединенных конденсатора, резонансные конденсатор и дроссель, силовой трансформатор, выпрямитель, резистор нагрузки, ключевой элемент, конденсатор фильтра, управляющий трансформатор, схему управления, состоящую из цепи обратной связи по напряжению, однотактного ШИМ-контроллера, к выводам «R» и «С» которого подключены первые выводы времязадающих резистора и конденсатора, и двухтактного ШИМ-контроллера, введены ключевой элемент и сумматор. При этом сток первого зарядного МДП-транзистора, соединенный с катодом первого рекуперирующего диода и с первым выводом первого конденсатора, подключен к положительной клемме источника питания. Исток второго зарядного МДП-транзистора, анод второго рекуперирующего диода, второй вывод второго конденсатора подсоединены к отрицательной клемме источника питания. Общая точка соединения зарядных МДП-транзисторов и рекуперирующих диодов через резонансные конденсатор и дроссель подключены к входу первичной обмотки силового трансформатора. Выход первичной обмотки силового трансформатора соединен с общей точкой соединения конденсаторов. Вторичная обмотка силового трансформатора соединена с входом выпрямителя, выход которого подключен к конденсатору фильтра. Конденсатор фильтра отрицательным выводом соединен с первым выводом резистора нагрузки и со вторыми выводами времязадающих резистора и конденсатора, а положительным выводом, через ключевой элемент, соединен со вторым выводом резистора нагрузки. Первый вход сумматора подключен к выводу «SYN» однотактного ШИМ-контроллера, второй вход - к выводу «m» однотактного ШИМ-контроллера, а его вывод «U» соединен с выводом «U» однотактного ШИМ-контроллера. Выход сумматора подключен к выводу «SYN» двухтактного ШИМ-контроллера. Вывод «А» двухтактного ШИМ-контроллера подключен к первому входу, а вывод «В» - ко второму входу управляющего трансформатора. Первый выход управляющего трансформатора подключен к затвору первого зарядного МДП-транзистора, а второй его вывод - к затвору второго зарядного МДП-транзистора. Цепь обратной связи по напряжению образована потенциометром, вход которого подключен параллельно выпрямителю, а его выход - к выводу «IN» однотактного ШИМ-контроллера.
Введение в схему управления МДП-транзисторами силовой цепи преобразователя сумматора с новыми связями между элементами (сумматор осуществляет широтно-импульсное управление МДП-транзисторами) позволяет осуществить модуляцию выходного напряжения с частотой, меньшей рабочей частоты квазирезонансного преобразователя, т.е. появляется возможность применения его при частоте замыкания ключевого элемента динамической нагрузки много меньшей рабочей частоты преобразователя. В качестве ключевого элемента в предлагаемом преобразователе может быть использован транзистор, управляемый внешним сигналом. Тогда как применение рассматриваемых ранее аналогов оправдано лишь при частоте замыкания ключевого элемента динамической нагрузки, соизмеримой с рабочей частотой преобразователя.
Кроме того, ввод сумматора в схему позволяет осуществить дискретную обратную связь по напряжению. В данном случае не требуются корректирующие цепи у однотактного ШИМ-контроллера, которые необходимы при аналоговой обратной связи и которые снижают коэффициент усиления и быстродействие однотактного ШИМ-контроллера. Таким образом, предложенная схема эффективной обратной связи по напряжению позволяет повысить быстродействие однотактного ШИМ-контроллера и тем самым получить низкую динамическую нестабильность напряжения на конденсаторе выходного фильтра.
Благодаря тому, что из схемы силовой цепи преобразователя исключена вторая вторичная обмотка силового трансформатора, потери мощности в обмотках уменьшаются, следовательно, КПД силового трансформатора увеличивается. Кроме того, исключение второй вторичной обмотки, второго выпрямителя, модулирующего МДП-транзистора улучшают массогабаритные показатели преобразователя.
На фигуре представлена схема предлагаемого стабилизированного квазирезонансного преобразователя и приняты следующие обозначения:
1, 2 - положительная и отрицательная клеммы источника питания;
3, 4 - зарядные МДП-транзисторы;
5 - двухтактный ШИМ-контроллер;
6 - сумматор;
7, 8 - первый и второй рекуперирующие диоды;
9, 10 - конденсаторы;
11 - резонансный конденсатор;
12 - управляющий трансформатор;
13 - резонансный дроссель;
14 - однотактный ШИМ-контроллер;
15 - первичная обмотка силового трансформатора;
16 - силовой трансформатор;
17 - вторичная обмотка силового трансформатора;
18 - выпрямитель
19 - времязадающий резистор;
20 - потенциометр;
21 - времязадающий конденсатор;
22 - конденсатор фильтра;
23 - ключевой элемент;
24 - резистор нагрузки.
cc
ref
Стабилизированный квазирезонансный преобразователь содержит источник питания (клеммы 1, 2), два последовательно включенных зарядных МДП-транзистора 3, 4, два последовательно соединенных рекуперирующих диода 7, 8, два последовательно соединенных конденсатора 9, 10, резонансные конденсатор 11 и дроссель 13, силовой трансформатор 16, выпрямитель 18, конденсатор фильтра 22, ключевой элемент 23, резистор нагрузки 24, управляющий трансформатор 12, схему управления, состоящую из цепи обратной связи по напряжению, однотактного ШИМ-контроллера 14, к выводам «R» и «С» которого подключены первые выводы времязадающих резистора 19 и конденсатора 21, двухтактного ШИМ-контроллера 5 и сумматора 6. При этом сток первого зарядного МДП-транзистора 3, соединенный с катодом первого рекуперирующего диода 7 и с первым выводом первого конденсатора 9, подключен к положительной клемме 1 источника питания. Исток второго зарядного МДП-транзистора 4, анод второго рекуперирующего диода 8, второй вывод второго конденсатора 10 подсоединены к отрицательной клемме 1 источника питания. Общая точка соединения зарядных МДП-транзисторов 3, 4 и рекуперирующих диодов 7, 8, через последовательно соединенные резонансные конденсатор 11 и дроссель 13, подключены к входу первичной обмотки 15 силового трансформатора 16, выход которой соединен с общей точкой соединения конденсаторов 9, 10. Вторичная обмотка 17 силового трансформатора 16 соединена с входом выпрямителя 18, выход которого подключен к конденсатору фильтра 22. Конденсатор фильтра 22 отрицательным выводом соединен с первым выводом резистора нагрузки и со вторыми выводами времязадающих резистора 19 и конденсатора 21, а положительным выводом, через ключевой элемент 23, соединен со вторым выводом резистора нагрузки 24. Первый вход сумматора 6 подключен к выводу «SYN» однотактного ШИМ-контроллера 14, второй вход - к выводу «m» однотактного ШИМ-контроллера 14, а его вывод «U» соединен с выводом «U» однотактного ШИМ-контроллера 14. Выход сумматора 6 подключен к выводу «SYN» двухтактного ШИМ-контроллера 5. Вывод «А» двухтактного ШИМ-контроллера 5 подключен к первому входу управляющего трансформатора 12, а вывод «В» - ко второму входу управляющего трансформатора 12. Первый выход управляющего трансформатора 12 подключен к затвору первого зарядного МДП-транзистора 3, а второй вывод - к затвору второго зарядного МДП-транзистора 4. Цепь обратной связи по напряжению образована потенциометром 20, вход которого подключен параллельно выпрямителю 18, а его выход - к выводу «IN» однотактного ШИМ-контроллера 14.
Работа предлагаемого стабилизированного квазирезонансного преобразователя заключается в следующем.
На клеммы 1, 2 подается напряжение. Питание ШИМ-контроллеров 5, 14 осуществляется от дополнительного источника питания, на фигуре не показан.
Вначале напряжение на конденсаторе фильтра 22 и, следовательно, на выходе потенциометра 20 и на выводе «IN» однотактного ШИМ-контроллера 14 равно нулю. При этом напряжение на выводе «m» однотактного ШИМ-контроллера 14 равно 5 В.
ref
cc
Частота генерации синхронизирующих импульсов однотактного ШИМ-контроллера 14 (вывод «SYN) определяется времязадающими резистором 19 и конденсатором 21. Частота синхронизирующих импульсов должна быть несколько меньше собственной частоты резонансного контура. С вывода «SYN» однотактного ШИМ-контроллера 14 синхронизирующие импульсы подаются на первый вход сумматора 6, а с вывода «U» напряжение 5 В подается на вывод «U» сумматора 6.
Синхронизирующие импульсы проходят через сумматор 6 и с его выхода подаются на вывод «SYN» двухтактного ШИМ-контроллера 5.
На выводах «А» и «В» двухтактного ШИМ-контроллера 5 формируются управляющие импульсы, которые поочередно подаются на первый и второй входы управляющего трансформатора 12. С первого и второго выходов управляющего трансформатора 12 управляющие импульсы подаются на затворы МДП-транзисторов 3, 4. Начинается поочередное их включение и выключение.
При включении МДП-транзистора 3 прямой ток резонансного контура протекает по цепи: положительная клемма 1, сток-исток МДП-транзистора 3, резонансный конденсатор 11, резонансный дроссель 13, первичная обмотка 15 силового трансформатора 16, конденсатор 10, отрицательная клемма 2.
Поскольку активное сопротивление резонансного контура практически равно нулю, возникает обратный ток, который протекает по цепи: отрицательная клемма 2, конденсатор 10, первичная обмотка 15 силового трансформатора 16, резонансный дроссель 13, резонансный конденсатор 11, рекуперирующий диод 7, положительная клемма 1. Происходит рекуперация энергии в цепь питания преобразователя.
При включении МДП-транзистора 4 прямой ток резонансного контура протекает по цепи: положительная клемма 1, конденсатор 9, первичная обмотка 15 силового трансформатора 16, резонансный дроссель 13, резонансный конденсатор 11, сток-исток МДП-транзистора 4, отрицательная клемма 2.
Поскольку активное сопротивление резонансного контура практически равно, нулю возникает обратный ток, который протекает по цепи: отрицательная клемма 2, рекуперирующий диод 8, резонансный конденсатор 11, резонансный дроссель 13, первичная обмотка 15 силового трансформатора 16, конденсатор 9, положительная клемма 1. Происходит рекуперация энергии в цепь питания преобразователя.
Через первичную обмотку 15 силового трансформатора 16 начинает протекать ток, что приводит к тому, что в сердечнике силового трансформатора 16 увеличивается магнитный поток, при этом во вторичной обмотке 17 трансформатора 16 наводится ЭДС самоиндукции. В конечном итоге на выходе выпрямителя 18 появляется напряжение. Начинается заряд конденсатора фильтра 22. Напряжение на конденсаторе фильтра 22 возрастает до требуемого уровня. При достижении напряжения на выходе потенциометра 20 и, следовательно, на выводе «IN» однотактного ШИМ-контроллера 14 установленной величины напряжение на выводе «m» однотактного ШИМ-контроллера 14 становится равным нулю. Синхронизирующие импульсы не проходят через сумматор 6.
При отсутствии синхронизирующих импульсов на выводе «SYN» двухтактного ШИМ-контроллера 5 нет импульсов и на его выводах «А» и «В». Включение МДП-транзисторов 3, 4 не происходит. Напряжение на конденсаторе фильтра 22 остается на требуемом уровне.
В заданный момент времени происходит замыкание ключевого элемента 23. Начинается разряд конденсатора фильтра 22 через резистор нагрузки 24.
Напряжение на выходе потенциометра 20 и на выводе «IN» однотактного ШИМ-контроллера 14 становится меньше заданной величины. Напряжение на его выводе «m» снова становится равным 5 В.
Таким образом, синхронизирующие импульсы вновь проходят через сумматор 6 и с его выхода подаются на вывод «SYN» двухтактного ШИМ-контроллера 5.
На выводах «А» и «В» двухтактного ШИМ-контроллера 5 формируются управляющие импульсы, которые подаются на первый и второй входы управляющего трансформатора 12. С первого и второго выходов управляющего трансформатора 12 управляющие импульсы подаются на затворы МДП-транзисторов 3, 4. Начинается поочередное включение МДП-транзисторов 3, 4.
Возобновляется процесс заряда конденсатора фильтра 22 и происходит одновременный разряд конденсатора фильтра 22 через резистор нагрузки 24.
В заданный момент времени происходит размыкание ключевого элемента 23 и процесс разряда конденсатора фильтра 22 через резистор нагрузки 24 прекращается. Происходит только заряд конденсатора фильтра 22, который продолжается до достижения напряжения на конденсаторе 22 заданной величины.
Далее процессы в схеме квазирезонансного преобразователя повторяются.
При коротком замыкании в нагрузке ток в резонансном контуре преобразователя ограничивается его волновым сопротивлением.
К основным преимуществам заявляемого квазирезонансного преобразователя по сравнению с прототипом следует отнести следующее:
- введение в схему управления сумматора и новых связей между элементами позволило осуществить модуляцию выходного напряжения с частотой, меньшей рабочей частоты квазирезонансного преобразователя;
- в схеме управления преобразователя используется дискретная цепь обратной связи по напряжению;
- схема управления преобразователя довольно простая: состоит только из двух ШИМ-контроллеров (однотактного и двухтактного) и сумматора;
- из схемы силовой цепи квазирезонансного преобразователя исключены: вторая вторичная обмотка силового трансформатора, второй выпрямитель, модулирующий МДП-транзистор.
Вышеперечисленные преимущества обеспечивают:
- расширение области применения квазирезонансного преобразователя;
- снижение динамической нестабильности напряжения на конденсаторе выходного фильтра квазирезонансного преобразователя;
- увеличение КПД преобразователя, уменьшение его массогабаритных показателей.