ТРАНЗИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ
TRANSISTOR VOLTAGE CONVERTER

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в силовых преобразователях постоянного напряжения и вторичных источниках питания.
Известно устройство для управления магнитной индукцией при преобразовании напряжения питания (патент РФ №2134012), содержащее датчик Холла, размещенный в зазоре силового трансформатора инвертора. Датчик Холла управляет длительностью и скважностью импульсов, подаваемых на силовые ключи преобразователя, фиксируя степень насыщения сердечника. При перенасыщении скважность импульсов увеличивается.
0
Данное устройство обладает низкой точностью симметрирования при работе на границе насыщения силового трансформатора (СТ) преобразователя. В момент насыщения сердечника СТ преобразователя, когда относительная магнитная проницаемость µ, уменьшается с 2000…3000 (ферриты) до 1, малому изменению индукции В, согласно частной петле перемагничивания, соответствует большое увеличение тока намагничивания i (напряженности поля в сердечнике Н):
где
l - длина средней линии сердечника, м;
w - число витков, шт.
Это приводит к большим импульсам тока намагничивания в моменты коммутации силовых ключей инвертора и, следовательно, к снижению КПД преобразователя.
Известно устройство симметрирования [а.с. №1495963] СТ инвертора с синусоидальным выходным напряжением, полученным с помощью широтно-импульсной модуляции, в котором, помимо коррекции длительности импульсов управления широтно-импульсным модулятором по величине индукции магнитопровода, используется сигнал разности средних за период токов первичной обмотки, пропорциональный току подмагничивания.
Данное техническое решение приводит к снижению КПД инвертора или выходу его из строя по следующим причинам:
1. Корректирующий сигнал по току подмагничивания вычисляется как среднее за период значение и, следовательно, схема симметрирования обладает быстродействием, недостаточным для поддержания малых значений тока намагничивания в переходных процессах, что снижает КПД.
2. При двухстороннем насыщении сердечника КПД инвертора также будет снижаться, т.к. корректирующий сигнал по току подмагничивания в данном режиме равен 0.
3. При формировании корректирующего сигнала по току подмагничивания не учитывается ток вторичной обмотки СТ инвертора, что снижает точность симметрирования, а следовательно, КПД инвертора, в частности при асимметричной нагрузке.
Известны преобразователи напряжения [Пат. РФ №2331961] с симметрированием СТ по току первичной обмотки. В таких преобразователях максимальное значение тока намагничивания равно максимальному значению приведенного тока нагрузки, что снижает КПД преобразователя, в частности при переменной величине нагрузки.
Известен транзисторный преобразователь напряжения [Глибицкий М.М., Мезенина Н.С. Способ ограничения одностороннего насыщения трансформатора транзисторного преобразователя. // Электронная техника в автоматике. Под ред. Ю.И.Конева. - М.: Советское Радио, 1978. - вып. №10. - с.122-124], взятый за прототип, с ограничением насыщения СТ преобразователя с помощью сигнала тока намагничивания, измеряемого трансформатором с тремя первичными обмотками согласно выражению:
где
1
i - ток первичной обмотки СТ, А;
- приведенный ток вторичной обмотки, А.
Недостатком прототипа является то, что при превышении током намагничивания максимального значения в одном плече длительность включенного состояния транзистора в другом плече не корректируется, что снижает КПД преобразователя.
Целью изобретения является повышение КПД преобразователя путем уменьшения тока намагничивания.
Это достигается тем, что в транзисторный преобразователь напряжения, содержащий силовой трансформатор, нагрузку, датчик тока намагничивания, первый и второй входы питания, первый и второй силовые ключи, эмиттеры которых соединены с первым входом питания, введены пороговое устройство, датчик выходного напряжения, магнитно связанный с силовым трансформатором, первый и второй сумматоры, пиковый детектор, интегратор, причем выход датчика выходного напряжения соединен с первым входом первого сумматора, выход которого через интегратор соединен с первым входом второго сумматора, выход которого через пороговое устройство соединен с управляющими входами первого и второго силовых ключей, при этом выход датчика тока намагничивания через пиковый детектор соединен со вторым входом первого сумматора, а также со вторым входом второго сумматора, первый и второй входы датчика тока намагничивания соединены соответственно с концом первой и началом второй обмоток силового трансформатора, третий и четвертый входы датчика тока намагничивания соединены соответственно с началом третьей обмотки силового трансформатора и нагрузкой, пятый и шестой входы датчика тока намагничивания соединены соответственно с выходами первого и второго силовых ключей, конец третьей обмотки силового трансформатора соединен с нагрузкой, начало первой и конец второй обмоток силового трансформатора соединены со вторым входом питания, начало обмотки датчика выходного напряжения соединено с первым входом питания.
На фиг.1 представлена схема заявляемого транзисторного преобразователя напряжения, на фиг.2 - осциллограммы его работы.
Транзисторный преобразователь напряжения (фиг.1) содержит СТ 1, нагрузку 2, датчик тока намагничивания (ДТН)3, первый отрицательный и второй положительный входы питания, первый 4 и второй 5 силовые ключи (СК), эмиттеры которых соединены с первым входом питания, пороговое устройство (ПУ) 6, датчик выходного напряжения (ДВН) 7, магнитно связанный с СТ 1, первый 8 и второй 9 сумматоры, пиковый детектор (ПД)10 и интегратор 11, причем выход ДВН 7 преобразователя соединен с первым входом первого 8 сумматора, выход которого соединен через интегратор 11 с первым входом второго 9 сумматора, выход которого соединен через ПУ 6 с управляющими входами первого 4 СК и второго 5 СК, при этом выход ДТН 3 через ПД 10 соединен со вторым входом первого 8 сумматора, а также со вторым входом второго 9 сумматора; первый и второй входы ДТН 3 соединены соответственно с концом первой и началом второй обмоток СТ 1, третий и четвертый входы ДТН 3 соединены соответственно с началом третьей обмотки СТ 1 и нагрузкой 2, пятый и шестой входы ДТН 3 соединены соответственно с выходом первого 4 СК и второго 5 СК, конец третьей обмотки СТ 1 соединен с нагрузкой 2, начало первой и конец второй обмоток СТ 1 соединены со вторым входом питания, начало обмотки ДВН 7 соединено с первым входом питания.
Транзисторный преобразователь напряжения работает следующим образом. Преобразование постоянного напряжения источника питания в переменное напряжение, подаваемое на нагрузку 2, осуществляется посредством смены полярности приложенного к СТ 1 напряжения, путем коммутации первого 4 СК и второго 5 СК. Длительность включения первого 4 СК и второго 5 СК задается ПУ 6, причем наличие импульса на выходе ПУ 6 соответствует включению первого 4 СК, пауза - включению второго 5 СК.
Рассмотрим формирование управляющих импульсов на выходе ПУ 6 (Uвых1, фиг.2). ПУ 6, выполненное, например, в виде триггера Шмитта, имеет релейную характеристику с гистерезисом. Импульсы на его выходе формируются таким образом, чтобы при насыщении сердечника СТ 1 менялась полярность приложенного к СТ 1 напряжения, т.е. направление намагничивания СТ 1 по петле гистерезиса. Для этого выходные сигналы ДВН 7 и ПД 10 суммируются первым 8 сумматором, интегрируются интегратором 11, результат интегрирования с выхода интегратора 11 складывается с выходным сигналом ДТН 3 с помощью второго 9 сумматора. Выходной сигнал второго 9 сумматора сравнивается с пороговым напряжением, задаваемым ПУ 6. При равенстве порогового напряжения и суммарного сигнала с выхода второго 9 сумматора изменяется состояние на выходе ПУ 6 и происходит соответствующее этому изменению переключение первого 4 СК и второго 5 СК. Происходит изменение полярности приложенного к СТ 1 напряжения и меняется направление намагничивания.
Рассмотрим управление переключением первого 4 СК и второго 5 СК по индукции поля в сердечнике СТ1. На выходе ДВН 7 (Uвых2) формируется сигнал, пропорциональный выходному напряжению преобразователя. Совпадение фаз сигналов ДВН 7 и ДТН 3 обеспечивается соединением начала обмотки ДВН 7 с первым входом питания. Выходной сигнал ДВН 7 поступает на первый вход первого 8 сумматора, а с его выхода на вход интегратора 11. На выходе интегратора 11 формируется сигнал, пропорциональный магнитной индукции в сердечнике СТ 1:
2
где S - площадь сечения сердечника СТ 1, м;
ДВН
u(t) - переменное напряжение на выходе ДВН 7, В;
0
U - остаточное напряжение на выходе интегратора 11, В;
1
w - число витков каждой из первичных полуобмоток СТ 1, шт;
ДВН
k - коэффициент передачи ДВН 7, определяемый следующим образом:
ДВН
где w - число витков обмотки ДВН 7, шт.
max
max
Выходной сигнал интегратора 11 поступает на первый вход второго 9 сумматора, с выхода которого сигнал поступает на вход ПУ 6 (Uвых3 - напряжение на входе ПУ 6). При симметричной работе преобразователя интервал времени, в течение которого перемагничивается сердечник СТ 1 от значения индукции -B до +B, равен половине периода работы преобразователя;
где
m
U - амплитуда переменного напряжения на выходе ДВН 7, В.
max
max
2
4
3
5
Таким образом, напряжение на выходе интегратора 11 за время Т/2 должно измениться на величину, равную разности уровней переключения ПУ 6. Оптимальное значение верхнего уровня переключения ПУ 6 (U1) должно соответствовать значению магнитной индукции +B, нижнего уровня переключения ПУ 6 (U2) - значению магнитной индукции -B. Напряжение на выходе интегратора 11 изменяется линейно при воздействии прямоугольного сигнала ДВН 7. Когда оно достигнет значения U1, ПУ 6 переключается в состояние "лог 1" (моменты времени t, t). Если напряжение на выходе интегратора 11 меньше U2, ПУ 6 переключается в состояние "лог 0" (моменты времени t, t). В момент смены полярности приложенного к первичной обмотке СТ 1 напряжения, знак напряжения на выходе ДВН 7 меняется на противоположный за счет переключения первого 4 СК и второго 5 СК преобразователя. Напряжение на выходе интегратора 11 начинает падать, если ПУ 6 переключилось в состояние "лог 0", или расти, если ПУ 6 переключилось в состояние "лог 1".
Таким образом, на выходе ПУ 6 формируется последовательность импульсов, определяющая длительность включения первого 4 СК и второго 5 СК.
Дополнительная коррекция симметрирования режима работы СТ 1 осуществляется посредством введения в контур обратной связи измеренного значения тока намагничивания, пропорционального напряженности поля в сердечнике СТ 1, который формируется на выходе ДТН 3 (Uвых4). Формирование на выходе ДТН 3 сигнала, пропорционального току намагничивания, обеспечивается тем, что первый и второй входы ДТН 3 соединены соответственно с концом первой и началом второй обмоток СТ 1, третий и четвертый входы ДТН 3 соединены соответственно с началом третьей обмотки СТ 1 и нагрузкой 2, пятый и шестой входы ДТН 3 соединены соответственно с выходами первого 4 СК и второго 5 СК.
max
2
Сигнал с выхода ДТН 3 поступает на второй вход второго 9 сумматора и складывается с выходным напряжением интегратора 11. При наличии сигнала на выходе ДТП 3 переключение ПУ 6 происходит раньше, чем измеренная индукция достигнет значений ±B. Пусть, например, к моменту времени t сердечник СТ 1 войдет в насыщение, и на выходе ДТН 3 появится сигнал, амплитуды которого будет достаточно, чтобы увеличить напряжение на входе ПУ 6 до значения U1. Это вызовет переключение ПУ 6 и приведет к смене направления намагничивания СТ 1, выходу СТ 1 из насыщения и уменьшению тока намагничивания, и, следовательно, уменьшению сигнала на выходе ДТН 3 до состояния «лог. 0» к моменту времени . Далее на интервале  напряжение на выходе интегратора 11 будет уменьшаться под действием напряжения ДВН7.
Рассмотрим работу транзисторного преобразователя напряжения с учетом ПД 10. ПД 10 имеет постоянную времени разряда, равную 2…3Т и зону нечувствительности шириной ΔU, обусловленную наличием порогового напряжения диодов из состава ПД 10. На вход ПД 10 поступает мгновенное значение тока намагничивания с выхода ДТН 3. Выходной сигнал ПД 10 (Uвых5) складывается с выходным сигналом ДВН 7 с помощью первого 8 сумматора, и суммарный сигнал поступает на вход интегратора 11. На выходе ПД 10 формируется сигнал, регулирующий длительность полупериодов работы преобразователя в зависимости от максимального за период значения тока намагничивания.
2
Рассмотрим момент времени t. Импульс напряжения на выходе ДТН 3 заряжает конденсатор из состава ПД 10. Суммарное действие выходных напряжений ДТН 3 и ПД 10 приводит к увеличению выходного напряжения интегратора 11 до величины U2. Это вызывает переключение ПУ 6, смену направления намагничивания СТ 1, выход СТ 1 из насыщения, уменьшение тока намагничивания и, следовательно, уменьшение сигнала на выходе ДТП 3. На интервале времени  выходное напряжение ПД 10, изменяя наклон выходного напряжения интегратора 11, задерживает уменьшение выходного напряжения интегратора 11 до значения U2 на время  а на интервале времени  ускоряет увеличение выходного напряжения интегратора 11 до значения U1 на время . Таким образом, выходной сигнал ПД 10 регулирует длительность полупериодов работы преобразователя. При этом длительность следующего за насыщением СТ 1 полупериода увеличивается, длительность полупериодов, в которых наблюдалось насыщение СТ 1, сокращается. Ток намагничивания СТ 1 становится более симметричным, потери в преобразователе уменьшаются.
3
4
2
3
В отсутствие ПД 10 ток намагничивания, например, на интервале t-t вырос бы до большего значения, чем на интервале t-t, так как выход из состояния насыщения сердечника произошел в момент времени .
Таким образом, повышение точности симметрирования достигается тем, что ПД 10, запоминая импульсы тока намагничивания, "расширяет" их, поднимает коэффициент усиления по контуру, уменьшая ошибку симметрирования тока намагничивания, и, как следствие, повышается КПД транзисторного преобразователя.
Введение в транзисторный преобразователь контура управления по индукции поля в сердечнике СТ 1 увеличивает КПД транзисторного преобразователя и точность симметрирования, так как переключение ПУ 6 происходит по сумме сигналов индукции и тока намагничивания, т.е. при меньших значениях тока намагничивания. Одновременно повышается быстродействие преобразователя, так как переключение силовых ключей происходит за более короткое время.
ДТН 3 измеряет ток намагничивания СТ 1 и может быть выполнен, например, по [Глибицкий М.М., Мезенина Н.С. Способ ограничения одностороннего насыщения трансформатора транзисторного преобразователя. // Электронная техника в автоматике. Под ред. Ю.И.Конева. - М.: Советское Радио, 1978. - вып. №10. - с.122-124]. В данном исполнении ДТН 3 представляет собой трансформатор с тремя первичными обмотками. Первая и вторая первичные обмотки ДТН 3 соединены последовательно с одной из первичных полуобмоток СТ 1 так, что через первую первичную обмотку ДТН 3 в течение одного полупериода протекает ток первого 4 СК, а через вторую первичную обмотку ДТН 3 в течение второго полупериода - ток второго 5 СК. Третья первичная обмотка ДТН 3 соединена последовательно со вторичной обмоткой СТ 1. Первая и вторая первичные обмотки ДТН 3 содержат один виток, число витков третьей первичной обмотки ДТН 3 равно коэффициенту трансформации СТ 1.
ДВН 7 может быть выполнен в виде обмотки СТ 1.
ПД 10 может быть реализован, например, по [Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. М.: Высш. Шк., 1991 - с.622, рис.6.53б].
Данный транзисторный преобразователь напряжения был изготовлен на предприятии и прошел испытания с положительными результатами.