Устройство преобразования постоянного напряжения

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в источниках электропитания радиоэлектронной аппаратуры.
Известен преобразователь постоянного напряжения [Новые ультратонкие изолированные DC/DC=модули электропитания MR25D и MR50D линии “Mistral” для аппаратуры классов “military” и “industry”. Александр Гончаров, академик МАИ, Олег Негреба, Иван Лукьянов, Владимир Маслов, Андрей Кузнецов, Константин Степнев. - Компоненты и технологии, 2008, No 9, с. 107].
Недостатком известного устройства является сложность, обусловленная наличием в составе преобразователя напряжения трёх моточных узлов, а именно: силового трансформатора, трансформатора тока и развязывающего трансформатора цепи обратной связи.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является преобразователь постоянного напряжения по патенту РФ на полезную модель №161610, H02M2/335, принятый за прототип.
На фиг.1 представлена укрупненная схема устройства-прототипа, где обозначено:
1 – импульсная часть;
2 – выпрямитель и фильтр;
3 – усилитель рассогласования;
4 – датчик выходного напряжения;
VT1 – силовой ключ;
VТ2 – биполярный транзистор;
D1 – микросхема усилителя рассогласования;
R1 – резистивный датчик тока;
R2, R3 – резисторы усилителя рассогласования;
R4, R5 – резисторы датчика выходного напряжения;
СУ – схема управления;
Т1 – разделительный (силовой) трансформатор;
T2 – трансформатора тока;
Т2.1 – первичная обмотка трансформатора тока;
Т2.2 – первая вторичная обмотка трансформатора тока;
Т2.3 – вторая вторичная обмотка трансформатора тока.
Преобразователь содержит подключённую к входным выводам +ВХ и  –ВХ импульсную часть (VT1, СУ), выход которой подключён к последовательно соединённым первичным обмоткам разделительного трансформатора Т1 и трансформатора тока T2.1, имеющего по меньшей мере одну первичную Т2.1 и две вторичных обмотки Т2.2 и Т2.3; вторичная обмотка разделительного (силового) трансформатора Т1 подключена через выпрямитель и фильтр 2 к выходным выводам +ВЫХ и –ВЫХ преобразователя. Первая вторичная обмотка трансформатора тока T2.2 подключена к входу схемы управления импульсной частью 1, а вторая вторичная обмотка T2.3 подключена через последовательно соединённые с ней резистор R1 и диод VD2 параллельно переходу коллектор-эмиттер биполярного транзистора VT2, база которого подключена к выходу усилителя рассогласования 3 (D1, R2, R3), вход которого, через датчик выходного напряжения 4 (R4, R5) соединён с выходными выводами преобразователя напряжения, а коллектор биполярного транзистора VТ2 подключён к одному из выходных выводов преобразователя.
Недостатком прототипа является отсутствие автоматического выравнивания выходных токов преобразователей прототипа при их параллельном включении на общую нагрузку. Очевидно, что при таком включении часть преобразователей (с максимальным выходным напряжением) будут работать в режиме ограничения выходного тока, один из преобразователей (с номинальным выходным напряжением) будет работать в режиме стабилизации напряжения, а часть преобразователей (с выходным напряжением ниже номинального) будут работать в режиме холостого хода. То есть, преобразователи будут работать с разной нагрузкой и, следовательно, с разной надёжностью, что снижает общую надёжность такой системы.
Перечень чертежей, поясняющих описание устройств: фиг. 1 – схема преобразователя-прототипа; фиг. 2 – схема заявляемого устройства; фиг. 3 – схема предлагаемого преобразователя (одного из N); фиг. 4 – иллюстрация результата моделирования заявляемого устройства; фиг. 5 – иллюстрация результата моделирования прототипа.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение надёжности за счет автоматического выравнивания выходных токов преобразователей при их параллельной работе на общую нагрузку.
Для решения поставленной задачи в устройство преобразования постоянного напряжения, состоящее из преобразователя постоянного напряжения, содержащего подключённую к входным выводам импульсную часть, выход которой подключён к последовательно соединённым первичным обмоткам силового трансформатора и трансформатора тока, имеющего, по меньшей мере, одну первичную и две вторичных обмотки, первая вторичная обмотка трансформатора тока подключена к входу схемы управления импульсной частью, вторая вторичная обмотка включена через последовательно соединённые с ней резистивный датчик тока и диод между коллектором и эмиттером биполярного транзистора, база которого подключена к выходу усилителя рассогласования, вход которого через датчик выходного напряжения соединён с выходными выводами, а коллектор биполярного транзистора подключён к одному из выходных выводов преобразователя, при этом вторичная обмотка силового трансформатора подключена через выпрямитель и фильтр к выходным выводам преобразователя, согласно полезной модели, введены N (N≥1) идентичных параллельно соединенных преобразователей постоянного напряжения, причем каждый из N+1 преобразователей снабжен дополнительным выходным выводом, подключенным к эмиттеру биполярного транзистора, при этом дополнительные выводы каждого преобразователя соединены между собой при подключении общей нагрузки; входные выводы всех преобразователей объединены и соединены с входными выводами устройства.
На фиг. 2 представлена схема предлагаемого устройства преобразования постоянного напряжения, где обозначено:
I, II, N – с первого по N-й преобразователи постоянного напряжения;
1 – импульсная часть;
2 – выпрямитель и фильтр;
3 – усилитель рассогласования;
4 – датчик выходного напряжения;
5 – дополнительный вывод преобразователя;
D1–микросхема усилителя рассогласования;
VD2 – диод;
VT1 – силовой ключ (полевой транзистор);
VТ2 – биполярный транзистор;
R1 – резистивный датчик тока;
R2, R3 – резисторы усилителя рассогласования;
R4, R5– резисторы датчика выходного напряжения;
СУ – схема управления импульсной частью;
Т1 – силовой (разделительный) трансформатор;
T2 – трансформатора тока;
Т2.1 – первичная обмотка трансформатора тока;
Т2.2 – первая вторичная обмотка трансформатора тока;
Т2.3 – вторая вторичная обмотка трансформатора тока.
На фиг. 2, 3 представлена схема предлагаемого преобразователя постоянного напряжения с биполярным транзистором VТ2 n-p-n типа, при использовании биполярного транзистора VТ2 p-n-p типа схема будет аналогичная с изменением полярности подключения биполярного транзистора.
Предлагаемое устройство преобразования постоянного напряжения (фиг. 2) состоит из N (N≥1) идентичных, параллельно соединенных преобразователей постоянного напряжения. Каждый из N преобразователей (фиг. 2, фиг. 3) содержит подсоединённую к входным выводам импульсную часть 1 (VT1, СУ), выход которой подключён к последовательно соединённым первичным обмоткам силового трансформатора Т1 и трансформатора тока Т2.1 имеющего, по меньшей мере, одну первичную Т2.1 и две вторичных обмотки Т2.2 и Т2.3. Вторичная обмотка силового трансформатора Т1 через выпрямитель и фильтр 2 подключена к выходным выводам преобразователя. Первая вторичная обмотка Т2.1 трансформатора тока Т2 соединена с входом схемы управления импульсной частью 1, а вторая вторичная обмотка Т1.3 подключена через последовательно соединённые с ней резистивный датчик тока R1 и диод VD2 между коллектором и эмиттером биполярного транзистора VT2, база которого подключена к выходу усилителя рассогласования 3, вход которого через датчик выходного напряжения 4 соединён с выходными выводами преобразователя. При этом коллектор биполярного транзистора VT2 подключён к одному из выходных выводов, а его эмиттер снабжен дополнительным выходным выводом 5.
Кроме того, дополнительные выводы 5 каждого из N преобразователей соединены между собой при подключении общей нагрузки, а входные выводы всех преобразователей объединены и соединены с входным выводом устройства.
Предлагаемое устройство преобразования постоянного напряжения, работает следующим образом.
Импульсная часть 1 преобразователя преобразует входное постоянное напряжение в последовательность импульсов, длительность которых определяется амплитудой сигналов, регистрируемых на обмотке Т2.2 трансформатора тока Т2. Обмотка Т2.2 связана с обмоткой Т2.3, на которой формируется сигнал обратной связи. Причём обмотки Т2.2 и Т2.3 выполнены с максимальным коэффициентом связи между ними, например, путём намотки двойным изолированным проводом. При этом напряжение, снимаемое с обмотки Т2.2, с максимальной точностью повторяет напряжение на обмотке Т2.3. Обмотка Т2.3 вместе с резистивным датчиком тока R1, диодом VD2 и напряжением между коллектором и эмиттером биполярного транзистора VT2 образуют контур для тока, трансформированного из первичной обмотки трансформатора Т2.1 во время действия импульса на выходе импульсной части 1, и определяется как сумма напряжения на резистивном датчике тока R1, биполярном транзисторе VТ2 и диоде VD2. Очевидно, что напряжение на переходе база-коллектор транзистора VT2 равно выходному напряжению усилителя рассогласования 3, а напряжение на обмотка Т2.3 равно сумме сигналов обратной связи по току и напряжению. Следовательно, напряжение, трансформируемое в обмотку Т2.2 и регулирующее посредством схемы управления импульсной части длительность импульсов на выходе импульсной части 1, регулирует уровень выходного напряжения преобразователя постоянного напряжения, поддерживая его на заданном уровне. При параллельном соединении нескольких преобразователей напряжения для работы на общую нагрузку, дополнительные выводы 5 всех преобразователей соединяются между собой и сигналы рассогласования на выходах усилителей рассогласования 3 становятся одинаковыми, поскольку определяются сигналом рассогласования преобразователя с самым высоким выходным напряжением, в то время как выходные сигналы более низковольтных преобразователей будут меньше и переходы база-эмиттер соответствующих транзисторов VT2 будут смещены в обратном направлении разницей напряжения на выходе преобразователя с самым высоким выходным напряжением и выходным напряжением данного преобразователя. Так как номиналы резистивных датчиков тока R1, включённых последовательно с обмотками Т2.3, всех однотипных преобразователей одинаковы, то и сигналы обратной связи по току также будут одинаковыми, что и обуславливает автоматическое выравнивание токов всех параллельно соединённых преобразователей.
Для подтверждения работоспособности предлагаемого решения проведено моделирование параллельной работы нескольких преобразователей на общую нагрузку, выполненное с помощью симулятора электронных схем Micro-Cap 11. Результат моделирования в виде эпюр токов вторичных обмоток трансформаторов Т1 и выходное напряжение приведен на фиг. 5. Моделировалась работа обратноходовых (ОХ) преобразователей с выходным напряжением 5В, выполненных на стандартных электронных и магнитных компонентах. Все преобразователи имеют разброс как по частоте преобразования (разные номиналы частотозадающих емкостей), так и по величине выходного напряжения (разные номиналы резисторов нижнего плеча делителя напряжения цепи ОС), но их выходные токи (вторичных обмоток трансформаторов Т1) практически одинаковы.
Для сравнения аналогичное моделирование проведено и для параллельной работы преобразователей, выполненных по схеме прототипа, полностью идентичных предлагаемому, за исключением наличия вывода для автоматического симметрирования выходных токов. Результат моделирования в виде эпюр токов вторичных обмоток трансформаторов Т1 и выходное напряжение приведен на фиг. 6. Результат моделирования параллельной работы преобразователей прототипа показывает, что их токи отличаются более чем на 100%.
Технический результат предлагаемого устройства состоит в повышении надёжности за счет автоматического выравнивания выходных токов преобразователей при параллельном включении N преобразователей напряжения на общую нагрузку при соединении их между собой дополнительными выводами.