СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ КВАЗИРЕЗОНАНСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
STABILISED QUASI-RESONENT 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 [1]. Этот преобразователь содержит последовательный резонансный инвертор с выходным трансформатором и узлом рекуперации избыточной энергии указанного трансформатора. К вторичной обмотке трансформатора, выполненной со средним выводом, через тиристорный делитель частоты подключена цепь нагрузки, состоящая из дросселя и двух диодов. Анод первого диода подключен к концу вторичной обмотки трансформатора, а анод второго через последовательно включенный дроссель - к началу этой обмотки. Тиристорный делитель частоты выполнен мостовым и подключен анодной группой к катодам диодов, а катодной - к среднему выводу вторичной обмотки трансформатора.
Недостатком этого преобразователя является ограниченные возможности в регулировании выходного напряжения. Регулирование может осуществляться только при использовании частотно-импульсной модуляции, однако, при этом диапазон регулирования ограничен и необходимо использовать трансформатор, рассчитанный 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.
Известен резонансный преобразователь с широтно-импульсной модуляцией [2]. Он содержит два последовательно соединенных рекуперирующих диода, резонансный дроссель, два последовательно соединенных резонансных конденсатора, включенных между положительной и отрицательной клеммами источника питания. Резонансный преобразователь также содержит две последовательно соединенные силовые цепи, каждая из которых образована 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 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 которых достигает ±20%. Кроме того, первичных обмоток силового трансформатора так же 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 подобное явление можно установкой диэлектрического зазора в магнитопроводе силового трансформатора, однако это приводит к уменьшению магнитной проницаемости магнитопровода и увеличению количества витков обмоток силового трансформатора. Происходит уменьшение КПД силового трансформатора, увеличение его массы и габаритов, проводит к уменьшению КПД преобразователя и увеличению массы и габаритов.
В качестве ключевых элементов в данной схеме используются тиристоры, которые являются низкочастотными полупроводниковыми приборами. Это не позволяет создавать высокочастотные преобразователи с силовым трансформатором и элементами входного и выходного фильтров, имеющими небольшую массу и габариты. Для управления тиристорами необходима схема, обеспечивающая формирование импульсов, включающих зарядные и модулирующие тиристоры. Необходимость обеспечения включения модулирующего тиристора только после включения соответствующего зарядного тиристора значительно усложняет схему управления. В схеме должны быть использованы импульсные трансформаторы для включения зарядных и модулирующих тиристоров, что усложняет схему и снижает ее надежность, повышает массу и габариты.
Устройством, принятым за прототип, является резонансный преобразователь с широтно-импульсной модуляцией [3]. Это устройство является наиболее близким по технической сущности и положительному эффекту.
Стабилизированный квазирезонансный преобразователь содержит два последовательно соединенных рекуперирующих диода. Причем, катод одного подключен к положительной клемме источника питания, а анод другого - к его отрицательной клемме. 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 к 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 сток-истоку модулирующего МДП-транзистора. Исток модулирующего МДП-транзистора соединен с истоком второго зарядного МДП-транзистора, а затвор - с инверсным выходом «A» однотактного ШИМ-контроллера. Первые выводы времязадающих резистора и конденсатора подключены к выводам «R» и «C» 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 «B» - к затвору второго зарядного МДП-транзистора.
Размещение в трансформаторе второй вторичной обмотки имеет свои недостатки для квазирезонансных преобразователей большой мощности:
наличие второй вторичной обмотки увеличивает габариты и массу трансформатора;
вторая вторичная обмотка приводит к образованию дополнительных паразитных «LC»-контуров, что увеличивает уровень радиопомех и ограничивает рабочую частоту преобразователя;
регулируемый ток протекает по первичной и второй вторичной обмоткам силового трансформатора и через модулирующий МДП-транзистор, что увеличивает потери мощности.
Обратная связь по напряжению осуществляется довольно сложной цепью, содержащей делитель напряжения, регулируемый стабилизатор и оптодиод, который при различной температуре имеет большой разброс по коэффициенту передачи. В этих условиях для устойчивой работы преобразователя необходима установка интегрирующих звеньев в цепях коррекции ШИМ-контроллера, что снижает быстродействие обратной связи по напряжению и затрудняет получение требуемой динамической нестабильности напряжения на конденсаторе выходного фильтра при работе с импульсной нагрузкой.
Техническим результатом изобретения является увеличение КПД преобразователя, уменьшение его массы и габаритов и расширение области применения предлагаемого квазирезонансного преобразователя.
Увеличение КПД преобразователя происходит за счет того, что через модулирующие МДП-транзисторы не протекает регулируемый ток. Уменьшение массы и габаритов осуществляется за счет исключения второй вторичной обмотки силового трансформатора. Область применения преобразователя расширяется, так как появляется возможность работы с импульсными нагрузками за счет повышения быстродействия обратной связи по напряжению.
На чертеже представлена схема предлагаемого стабилизированного квазирезонансного преобразователя и приняты следующие обозначения:
1, 2 - положительная и отрицательная клеммы источника питания;
3, 4 - зарядные МДП-транзисторы;
5, 6 - первый и второй рекуперирующие диоды;
7, 8 - двухтактные ШИМ-контроллеры;
9, 10 - конденсаторы;
11 - резонансный конденсатор;
12 - резонансный дроссель;
13 - второй выпрямитель;
14 - первый управляющий трансформатор;
15 - силовой трансформатор;
16, 17 - первый и второй инверторы;
18 - времязадающий резистор;
19 - второй управляющий трансформатор;
20 - первый выпрямитель;
21 - первый модулирующий МДП-транзистор;
22, 23 - третий и четвертый управляющие трансформаторы;
24 - времязадающий конденсатор;
25 - делитель напряжения;
26 - второй модулирующий МДП-транзистор;
27 - конденсатор фильтра;
28 - резистор нагрузки.
Предлагаемый стабилизированный квазирезонансный преобразователь содержит два последовательно включенных рекуперирующих диода 5 и 6, соединенных так, что катод рекуперирующего диода 5 подключен к положительной клемме 1 источника питания, а к его отрицательной клемме 2 - анод второго рекуперирующего диода 6. Первый вывод резонансного дросселя 12 соединен с входом первичной обмотки силового трансформатора 15. Последовательно соединенные зарядные МДП-транзисторы 3, 4 подключены так, что сток МДП-транзистора 3 подключен к положительной клемме 1 источника питания, а исток МДП-транзистора 4 - к его отрицательной клемме 2. Точка соединения зарядных МДП-транзисторов 3, 4 подключена к точке соединения двух рекуперирующих диодов 5, 6, а также к первому выводу резонансного конденсатора 11, второй вывод которого соединен с вторым выводом резонансного дросселя 12. Два последовательно соединенных конденсатора 9, 10 подключены параллельно зарядным МДП-транзисторам 3, 4. Их общая точка соединена с выходом первичной обмотки силового трансформатора 15. Вторичная обмотка силового трансформатора 15 подключена к входу первого выпрямителя 20, выход которого соединен с резистором нагрузки 28, шунтируемым конденсатором фильтра 27 и делителем напряжения 25. Выводы «А» и «В» первого двухтактного ШИМ-контроллера 7 через первый 14 и второй 19 управляющие трансформаторы соответственно соединены с затворами первого 3 и второго 4 зарядных МДП-транзисторов.
Вывод «SYN» второго двухтактного ШИМ-контроллера 8 соединен с выводом «SYN» первого двухтактного ШИМ-контроллера 7. Первые выводы времязадающих резистора 18 и конденсатора 24 подключены к выводам «R» и «C» второго двухтактного ШИМ-контроллера 8, а их вторые выводы соединены с «минусом» конденсатора фильтра 27.
Выводы «A» и «B» второго двухтактного ШИМ-контроллера 8 соответственно соединены с входами первого и второго инверторов 16, 17, выходы которых через управляющие трансформаторы 22, 23 соединены с затворами модулирующих МДП-транзисторов 21 и 26.
Первичная обмотка силового трансформатора 15 подключена к входу второго выпрямителя 13, выход которого подключен к цепи сток-исток параллельно включенных первого и второго модулирующих МДП-транзисторов 21, 26.
Для создания отрицательной обратной связи по напряжению выход делителя напряжения 25 подключен к выводу «IN» второго двухтактного ШИМ-контроллера 8.
Работа предлагаемого стабилизированного квазирезонансного преобразователя происходит следующим образом.
На клеммы 1, 2 подается напряжение. После включения источника питания (не указан) начинает работать второй двухтактный ШИМ-контроллер 8. Частота генерации его выходных импульсов определяется времязадающими резистором 18 и конденсатором 24. С вывода «SYN» второго двухтактного ШИМ-контроллера 8 тактовые импульсы подаются на вывод «SYN» первого двухтактного ШИМ-контроллера 7, с выводов «A» и «B» которого через управляющие трансформаторы 14 и 19 выходные импульсы поступают на затворы первого и второго зарядных МДП-транзисторов 3 и 4. Начинается поочередное их включение и выключение.
Цепь плавного пуска второго двухтактного ШИМ-контроллера 8 (не обозначена) в первый момент времени обеспечивает минимальную длительность импульсов на выводах «A» и «B». При этом на выходах инверторов 16 и 17 появляются импульсы максимальной длительности. Через второй выпрямитель 13 осуществляется замыкание первичной обмотки силового трансформатора 15, напряжение на вторичной обмотке силового трансформатора 15, на выходе первого выпрямителя 20 и, следовательно, на резисторе нагрузки 28 равно нулю. При этом эквивалентное активное сопротивление резонансного контура практически равно нулю.
При включении первого зарядного МДП-транзистора 3 прямой ток резонансного контура протекает по цепи: положительная клемма 1, сток-исток МДП-транзистора 3, резонансный конденсатор 11, резонансный дроссель 12, первичная обмотка силового трансформатора 15, конденсатор 10, отрицательная клемма 2. Поскольку эквивалентное активное сопротивление резонансного контура практически равно нулю, возникает обратный ток, который протекает по цепи: отрицательная клемма 2, конденсатор 10, первичная обмотка силового трансформатора 15, резонансный дроссель 12, резонансный конденсатор 11, рекуперирующий диод 5, положительная клемма 1. Происходит рекуперация энергии в цепь питания преобразователя.
При включении второго зарядного МДП-транзистора 4 прямой ток резонансного контура протекает по цепи: положительная клемма 1, конденсатор 9, первичная обмотка силового трансформатора 15, резонансный дроссель 12, резонансный конденсатор 11, сток-исток МДП-транзистора 4, отрицательная клемма 2. Поскольку эквивалентное активное сопротивление резонансного контура практически равно нулю, возникает обратный ток, который протекает по цепи: отрицательная клемма 2, рекуперирующий диод 6, резонансный конденсатор 11, резонансный дроссель 12, первичная обмотка силового трансформатора 15, конденсатор 9. Происходит рекуперация энергии в цепь питания преобразователя.
Цепь плавного пуска второго двухтактного ШИМ-контроллера 8 постепенно увеличивает длительность импульса с выводов «A» и «B». При этом уменьшается длительность импульсов с выходов первого 16 и второго 17 инверторов. Образуется интервал времени, когда второй выпрямитель 13 не осуществляет замыкание первичной обмотки силового трансформатора 15, через нее начинает протекать ток. На выходе выпрямителя 20 и, следовательно, на нагрузке 28 появляется напряжение.
После окончания плавного пуска преобразователь переходит в режим стабилизации напряжения на резисторе нагрузки 28. Напряжения с резистора нагрузки 28 через делитель напряжения 25 подается на вывод «IN» второго двухтактного ШИМ-контроллера 8. При изменении уровня напряжения на нагрузке происходит изменение длительности импульсов с выходов первого 16 и второго 17 инверторов, что обеспечивает поддержание постоянства напряжения на резисторе нагрузки 28.
При обрыве цепи резистора нагрузки 28 при помощи делителя напряжения 25, двухтактного ШИМ-контроллер 8, первого 16 и второго 17 инверторов обеспечивает увеличение длительности импульса на затворах модулирующих МДП-транзисторов 21 и 26 и соответствующее уменьшение тока на выходе первого выпрямителя 20. Вследствие этого величина напряжения на резисторе нагрузки 28 практически не изменяется.
К основным преимуществам заявляемого преобразователя по сравнению с прототипом следует отнести следующее:
- упрощение аналоговой части схемы управления преобразователя;
- обеспечивается получение низкой динамической нестабильности напряжения на конденсаторе фильтра при работе с импульсной нагрузкой;
- регулируемая мощность подается на модулирующие МДП-транзисторы, минуя вторичную обмотку силового трансформатора;
- уменьшение количества обмоток в силовом трансформаторе.
Вышеперечисленные свойства обеспечивают расширение области применения предлагаемого стабилизированного квазирезонансного преобразователя, увеличение его КПД, уменьшение массы и габаритов.
Источники информации
1. А.С. №1285552, СССР, МПК H02M 7/519, Преобразователь постоянного напряжения в переменное / А.Н.Шварц, Б.З.Курчик, Б.И. - 1987, №3.
2. Патент РФ №2110881, СССР, МПК H02M 02/51, 7/523, Резонансный преобразователь с широтно-импульсной модуляцией. В.Ф.Стрелков, Б.И. - 1998, №13.
3. Патент РФ №2385526, МПК H02M 7/53846, заявлено 23.03.2009, №2009110643. Стабилизированный квазирезонансный преобразователь. / Стрелков В.Ф., Кириенко В.П.