ПРЯМОХОДОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ С БЛОКОМ ПИТАНИЯ И ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ (ПИОН)

Область техники
Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в импульсных источниках вторичного электропитания (ИВЭ), а именно в ИВЭ построенных по топологии прямоходового однотактного преобразователя для обеспечения питания схемы ШИМ при запуске на увеличенную емкостную нагрузку, стабильного напряжения питания ШИМ-контроллера в широком диапазоне регулировки выходного напряжения, защиты от короткого замыкания на выходе.
Уровень техники
Как правило, в настоящее время, управляющие цепи ИВЭ реализуются на микросхемах (например, ШИМ-контроллерах), которые требуют организации цепи питания как для первоначального запуска, так и для последующей работы.
Наибольшее распространение получили ИВЭ, в которых для первоначального запуска устройства управления применяют специальные «стартовые» схемы подачи питания. После того как мощный каскад преобразования заработал, питание на устройство управления поступает от одной из обмоток силового импульсного трансформатора или дросселя, а «стартовая» схема отключается.
Одной проблемой такого способа питания является обеспечение питания схемы управления (ШИМ-контроллера) преобразователя в широком диапазоне регулировки выходного напряжения ИВЭ, так как напряжение питания, снимаемое с трансформатора (выходного дросселя), пропорционально выходному напряжению. Если снижается выходное напряжение преобразователя, то и напряжение питания схемы ШИМ-контроллера также снижается вплоть до ее выключения из-за низкого напряжения питания. Но если увеличить напряжение питания, то при выставлении выходного напряжения преобразователя равным максимальному, напряжение питания схемы ШИМ-контроллера становится недопустимо большим, что приводит к тепловым потерям во внутреннем или внешнем стабилитроне ШИМ-контроллера вплоть до его выхода из строя. Поэтому требуется мощный внешний стабилизатор, способный рассеивать большую мощность.
Другая проблема заключается в том, что при коротком замыкании выходных клемм преобразователя, построенного, например, по схеме косого моста прямой такт переключения силовых транзисторов коммутирующих первичную обмотку трансформатора становится коротким и ограничивается обратной связью по току на первичной стороне. Следовательно, обратный такт становится длинным и занимает все оставшееся время в периоде переключения. Это приводит к циркуляции больших токов в выходном обводном выпрямительном диоде и, как следствие, к его перегреву. Чтобы предотвратить этот нежелательный эффект необходимо выключать преобразователь при возникновении короткого замыкания на выходных клеммах. Также в классической схеме преобразователя присутствует зависимость порога срабатывания защиты по току от входного напряжения. Это происходит из-за того, что при минимальном входном напряжении амплитуда рабочего тока через силовые транзисторы преобразователя будет больше, чем при максимальном входном токе. Этот эффект нежелателен, так как возникает сложность в определении порога срабатывания защиты от перегрузки по току при тестировании модулей.
Известно устройство (патент RU 141793 «Устройство запуска и защиты преобразователя напряжения», дата приоритета 29.01.2014 г., МПК Н02М 3/00, Н02М 3/335), в котором обеспечивается независимая регулировка времени включения и времени во включенном состоянии модуля с защитой контроллера ШИМ от высоковольтных импульсов напряжения возникающих на обмотке подпитки при большой реактивной нагрузке на выходе ИВЭ, что соответствует в первоначальный момент запуска короткому замыканию на выходе.
К недостаткам устройства относится то, что в случае построения ИВЭ по схеме прямоходового преобразователя обмотку подпитки реализуют на выходном дросселе и в случае реализации широкого диапазона регулирования выходного напряжения на границах диапазона может происходить ситуация, при которой напряжение питания управляющей схемы будет выходить за допустимые пределы.
Сущность полезной модели
Техническим результатом работы устройства является:
- обеспечение питания схемы ШИМ-контроллера преобразователя в широком диапазоне регулировки выходного напряжения;
- защита преобразователя от больших токов на первичной стороне при коротком замыкании на выходе;
- обеспечение питания схемы ШИМ при запуске на увеличенную емкостную нагрузку.
Данный технический результат достигается за счет того, что прямоходовый преобразователь напряжения с блоком питания и опорного напряжения (ПИОН) (фиг. 1) содержит входную цепь (1), блок силовых ключей (2), цепь обратной связи по току (3), блок силового трансформатора (4), выходную цепь (5), схему управления (6) и блок питания и опорного напряжения (7), включающий блок стабилизации напряжения (7.1), и соединенный со схемой управления (6) и выходной цепью (5), причем блок питания и опорного напряжения (7) дополнительно содержит блок выключения (7.2) и имеет подключение к цепи обратной связи по току (3).
Работа устройства поясняется на примере прямоходового преобразователя с блоком управления на микросхеме ШИМ-контроллера и вариантом исполнения блока питания и опорного напряжения (ПИОН) (фиг. 2), содержащего блок стабилизации напряжения и блок отключения.
В состав блока стабилизации входит выпрямитель VD3 и линейный стабилизатор напряжения, рассчитанный на установленное напряжение стабилизации. Линейный стабилизатор выполнен из биполярного n-p-n транзистора VT1, резистора R1 и стабилитрона VD2. Диод VD1, на выходе стабилизатора, подключен ко входу питания +U ШИМ-контроллера и выполняет функцию защиты линейного стабилизатора от обратного тока. Конденсатор С1 предназначен для фильтрации напряжения питания и устойчивой работы линейного стабилизатора. Линейный стабилизатор подключен к дополнительной обмотке (обмотке питания схемы) выходного дросселя «косого моста» и стабилизирует напряжение питания ШИМ контроллера преобразователя, таким образом, представляя собой мощный внешний стабилитрон, который позволяет расширить диапазон напряжений питания схемы ШИМ-контроллера. Тем самым обеспечивая работу в широком диапазоне выходных напряжений преобразователя без отключения ШИМ-контроллера и выхода из строя.
В классической схеме ИВЭ, построенного на «косом мосту» выключение происходит автоматически при снижении напряжения питания, которое возникает из-за короткого прямого такта при коротком замыкании на выходных клеммах преобразователя. Но в ИВЭ, оснащенном схемой работы в широком диапазоне выходных напряжений, напряжение питания завышено и ИВЭ может не отключиться при возникновении короткого замыкания на выходе ИВЭ, что может привести к перегреву выходного обводного диода. Поэтому в блоке ПИОН дополнительно предусмотрен блок выключения, выполненный на полевом транзисторе VT2, резисторе R10, R9, R7, R4, R5, R2, R3 конденсаторах С5, С4, С3. Конденсатор С3 необходим для преодоления переходных процессов в схеме узла. Конденсаторы С4, С2 и С5 необходимы для фильтрации сигнала и установки его задержки.
Схема работает следующим образом: через резисторы R4 и R10 подается ток смещения на вывод защиты по току ШИМ-контроллера (CS). Соответственно, чем выше входное напряжение преобразователя, тем больше смещение на выводе CS. Таким образом, происходит выравнивание порога срабатывания защиты от короткого замыкания практически не зависимо от входного напряжения.
Выключение преобразователя при коротком замыкании происходит следующим образом. На прямом такте через резисторы R1, R2, R3, R8 и диод VD3 подается смещение напряжения от прямого такта через вход блока ПИОН (Вх) на затвор выключающего транзистора VT2. Таким образом, напряжение прямого такта понижается за счет делителя напряжения, образованного резисторами R7, R5 и R2. На обратном такте через резисторы R6 и R7, а также через диод VD4 подается напряжение смещения обратного такта с обратной полярностью. Таким образом, напряжение обратного такта понижается за счет делителя напряжения, образованного резисторами R6 и R7. Номиналы резисторов R6, R7, R5 и R2 выбираются таким образом, чтобы при номинальной работе преобразователя баланс напряжений прямого и обратного такта на затворе VT2 было равным -1 В. Это необходимо для гарантированного обеспечения выключения транзистора VT2 во всем диапазоне рабочих температур преобразователя. Во время короткого замыкания на выходе преобразователя, ШИМ-контроллер уменьшает длительность прямого такта. Соответственно увеличивается длительность обратного такта. Исходя из вольт-секундного соотношения, напряжение на обратном такте уменьшается, что приводит к смещению баланса напряжений прямого и обратного тактов на затворе VT2 выше 0 В и при достижении порога открытия затвора VT2 происходит блокировка транзистора линейного стабилизатора VT1. Следовательно, прекращается питание схемы ШИМ-контроллера и преобразователь выключается.
Таким образом, происходит выключение преобразователя при коротком замыкании выходных клемм с заданным порогом и с заданной задержкой срабатывания защиты.
Диаграммы сигналов в контрольных точках, отмеченных на фиг. 2, в нормальном режиме работы и в режиме КЗ, поясняющие работу устройства, приведены на фиг. 3.
Преимуществом данного решения является то, что в ИВЭ обеспечивается питание управляющей схемы (ШИМ-контроллера) в широком диапазоне выходных напряжений ИВЭ (устраняется зависимость величины питающего напряжения ШИМ от величины выходного напряжения) и обеспечивается своевременное выключение ИВЭ, путем отключения ШИМ (отключения питания контроллера), в случае появления короткого замыкания на выходе ИВЭ.
Использование данного технического решения показало его эффективность применительно к источникам вторичного питания, построенным по схеме прямоходового преобразователя и имеющим широкий диапазон регулирования выходного напряжения.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается совокупностью заявленных признаков от прототипа, а, следовательно, предлагаемое техническое решение обладает существенными отличиями.
Предлагаемое устройство изготавливается из стандартных элементов, которые серийно выпускаются промышленностью. Оно собирается типовыми монтажными операциями с помощью стандартного оборудования, что особенно важно при серийном производстве. Поэтому предлагаемое устройство удовлетворяет критерию промышленной применимости.