Однотактный двухтрансформаторный преобразователь постоянного напряжения

Полезная модель относится к однотактным двухтрансформаторным преобразователям постоянного напряжения и может быть использована для электропитания радиоэлектронной аппаратуры, для которой важны малые габариты, надежность, вес и стоимость, например, в системах телемеханики.
Технический результат от использования заявляемой полезной модели заключается в упрощении конструкции трансформаторов за счет удаления двух из шести обмоток, что снижает габариты, вес и стоимость трансформаторов, а также в снижении мощности, рассеиваемой в транзисторном ключе, что повышает его надежность.
Известен прямоходовой преобразователь постоянного напряжения [1, рис. 5.19], содержащий управляемый ключ S1, трансформатор Т1, дроссель L. Достоинства прямоходового преобразователя постоянного напряжения простота схемы (содержит только один управляемый ключ), низкая стоимость, высокие надежность и КПД -позволяют широко применять его при мощности от десятков ватт до единиц киловатт. Индуктивные элементы (трансформатор Т1 и дроссель L) прямоходового преобразователя постоянного напряжения включены последовательно и через каждый из них проходит полная мощность нагрузки Рн, поэтому суммарная габаритная мощность индуктивных элементов (мощность, используемая при расчете конструкции элемента и в конечном итоге определяющая его габариты) примерно равна 2Рн.
Известен однотактный преобразователь Вэйнберга [1, рис. 5.25], в современной технической литературе называемый прямо-обратноходовым или двухтрансформаторным, содержащий управляемый ключ S1, трансформатор Т1, двухобмоточный дроссель L. В однотактном преобразователе Вэйнберга примерно половину времени рабочего периода управляемый ключ находится в открытом состоянии, а оставшуюся половину времени - в закрытом состоянии. При открытом состоянии управляемого ключа S1 мощность в нагрузку поступает только через трансформатор Т1 (этап прямого хода или импульса, во время которого в нагрузку передается примерно 0,5Рн), а при закрытом состоянии управляемого ключа мощность в нагрузку поступает только через двухобмоточный дроссель L (этап обратного хода или паузы, во время которой передается еще 0,5Рн), благодаря чему суммарная габаритная мощность индуктивных элементов примерно равна Рн, т.е. снижена примерно в два раза по сравнению с прямоходовым преобразователем постоянного напряжения. Недостатком однотактного преобразователя Вэйнберга является повышенный импульс перенапряжения в момент закрывания (размыкания) управляемого ключа, вызванный энергией, накапливающейся в индуктивностях рассеяния первичных обмоток трансформатора Т1 и дросселя L.
Известен высокоэффективный ключ [2], в котором с целью снижения импульса перенапряжения применен RCD ограничитель (RCD clamp), включенный параллельно первичной обмотке трансформатора. Резистор RCD ограничителя рассеивает часть энергии, накапливающейся в индуктивности рассеяния первичной обмотки трансформатора.
Известен прямо-обратноходовой преобразователь (Forward-Flyback Converter) [3], содержащий первый управляемый ключ Q1, первый трансформатор Т1, второй трансформатор Т2, выполняющий функцию двухобмоточного дросселя L однотактного преобразователя Вэйнберга. С целью повышения КПД прямо-обратноходового преобразователя, в него введена цепочка из последовательно соединенных второго управляемого ключа Q2 и промежуточного конденсатора Ccl для накопления энергии, запасенной в индуктивностях рассеяния первичных обмоток первого и второго трансформаторов. Для полезного использования запасенной в промежуточном конденсаторе энергии в определенные промежутки времени открывается и закрывается второй управляемый ключ. Недостатком прямо-обратноходового преобразователя является усложнение схемы управления, вызванное введением второго управляемого ключа.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является принятый за прототип однотактный прямо-обратноходовой преобразователь [4], содержащий транзисторный ключ, первый и второй трансформаторы, первый и второй выпрямительные диоды. Так же, как и прямо-обратноходовой преобразователь с целью повышения КПД однотактный прямо-обратноходовой преобразователь содержит промежуточный конденсатор для накопления энергии, запасенной в индуктивностях рассеяния первичных обмоток первого и второго трансформаторов, но вместо второго управляемого ключа применен шунтирующий диод, причем для полезного использования запасенной в промежуточном конденсаторе энергии, дополнительно введены соединенные последовательно вторые первичные обмотки первого и второго трансформаторов. Посредством этих обмоток энергия, накопленная в промежуточном конденсаторе, частично передается на вторичную сторону в нагрузку, а частично рекуперируется в первичный источник постоянного напряжения через транзисторный ключ на этапе импульса.
Описанный однотактный прямо-обратноходовой преобразователь имеет недостатки, первый из которых заключается в том, что введенные вторые первичные обмотки трансформаторов Т1 и Т2 повышают габариты, вес и стоимость преобразователя, что ограничивает область применения указанного преобразователя.
Второй недостаток однотактного прямо-обратноходового преобразователя - бросок тока в начале этапа импульса. Последствия этого недостатка проявляются следующим образом. На этапе импульса энергия накапливается не только в индуктивности рассеивания первого трансформатора, но и в индуктивности его первичной обмотки. На этапе паузы энергия, накопленная в индуктивностях рассеивания первых первичных обмоток обоих трансформаторов, передается в промежуточный конденсатор. Также на этапе паузы энергия, накопленная в первичной обмотке первого трансформатора, полностью передается в промежуточный конденсатор, т.к. не может передаться в нагрузку из-за того, что на этапе паузы напряжения на обмотках первого трансформатора таковы, что выпрямительный диод, подключенный к вторичной обмотке первого трансформатора, заперт. Это приводит к тому, что к моменту начала этапа импульса (замыкания транзисторного ключа) напряжение на промежуточном конденсаторе превышает напряжение источника питания на некоторую величину ΔU. В результате в начале этапа импульса через открывающийся транзисторный ключ происходит бросок тока, выравнивающий напряжение на промежуточном конденсаторе и на источнике питания. При этом бросок тока протекает так, что через первые первичные обмотки трансформаторов бросок тока протекает против э.д.с. самоиндукции, а по вторым первичным обмоткам - согласно э.д.с. самоиндукции обмоток, в результате амплитуду броска тока определяет только омическое (активное) сопротивление элементов, по которым течет ток. Из этих элементов (обмоток трансформаторов, конденсаторов, транзисторного ключа) наибольшее омическое сопротивление обычно (например, в преобразователях напряжения сети 220 В) имеет транзисторный ключ, что приводит к выделению на нем дополнительной мощности, снижающей его надежность.
Второй недостаток в наибольшей степени проявляется в том случае, если оба трансформатора выполнены с немагнитными зазорами, например, в случае применения двух одинаковых трансформаторов с целью унификации. В этом случае на этапе импульса в первичной обмотке первого трансформатора накапливается энергия в несколько раз большая, чем в индуктивностях рассеивания первичных обмоток обоих трансформаторов.
При создании предлагаемой полезной модели стояла задача построения однотактного двухтрансформаторного преобразователя постоянного напряжения, имеющего такую структуру, которая позволяет удалить две из шести обмоток трансформаторов, что снижает габариты, вес и стоимость преобразователя, а также позволяет на этапе паузы полностью передавать в нагрузку энергию, накопленную в индуктивности первичной обмотки первого трансформатор, снижая нагрев полупроводникового ключа и повышая его надежность.
Поставленная задача решается за счет изменения структуры однотактного двухтрансформаторного преобразователя постоянного напряжения, а также конкретного выполнения элементов преобразователя.
При этом однотактный двухтрансформаторный преобразователь постоянного напряжения, содержащий источник постоянного напряжения, управляемый полупроводниковый ключ, отрицательный электрод которого соединен с отрицательной клеммой источника, первый и второй трансформаторы, первичные обмотки которых соединены последовательно встречно так, что объединены концы их обмоток, причем начало первичной обмотки первого трансформатора соединено с положительной клеммой источника питания, а начало первичной обмотки второго трансформатора соединено с положительным электродом полупроводникового ключа, конец вторичной обмотки второго трансформатора подключен к отрицательной обкладке фильтрового выходного конденсатора, подключенного параллельно нагрузке, а к началу вторичной обмотки второго трансформатора подключен анод выпрямительного диода, катод которого подключен к положительной обкладке выходного фильтрового конденсатора, промежуточный конденсатор и включенный с ним последовательно шунтирующий диод, дополнительно содержит мостовой выпрямитель и балластный резистор, причем выводы вторичной обмотки первого трансформатора подключены к входам переменного напряжения мостового выпрямителя, выход отрицательного напряжения которого соединен с отрицательной обкладкой выходного фильтрового конденсатора, выход положительного напряжения мостового выпрямителя соединен с положительной обкладкой выходного фильтрового конденсатора, первая обкладка промежуточного конденсатора подключена к положительной клемме источника, вторая обкладка промежуточного конденсатора подключена к катоду шунтирующего диода, анод которого подключен к положительному электроду управляемого полупроводникового ключа, а балластный резистор подключен параллельно промежуточному конденсатору.
Технический результат, заключающийся в упрощении конструкции обоих трансформаторов и снижении мощности, выделяющейся на транзисторном ключе, достигается за счет удаления вторых первичных обмоток обоих трансформаторов, заменой первого выпрямительного диода на мостовой выпрямитель и введения балластного резистора.
На фиг. 1 представлена электрическая схема заявляемого однотактного двухтрансформаторного преобразователя постоянного напряжения. Схема на фиг. 1 содержит источник постоянного напряжения 1, управляемый полупроводниковый ключ 2, отрицательный электрод которого соединен с отрицательной клеммой источника 1, первый и второй трансформаторы 3 и 4, первичные обмотки 5 и 6 которых соединены последовательно встречно так, что объединены концы этих обмоток, начало первичной обмотки 5 первого трансформатора соединено с положительной клеммой источника 1, а начало первичной обмотки 6 второго трансформатора соединено с положительным электродом ключа 2, конец вторичной обмотки 7 второго трансформатора подключен к отрицательной обкладке фильтрового выходного конденсатора 8, подключенного параллельно нагрузке 9, а к началу вторичной обмотки 7 второго трансформатора подключен анод выпрямительного диода 10, катод которого подключен к положительной обкладке выходного фильтрового конденсатора 8, промежуточный конденсатор 11, первая обкладка которого подключена к положительной клемме источника 1, вторая обкладка промежуточного конденсатора подключена к катоду шунтирующего диода 12, анод которого подключен к положительному электроду ключа 2, мостовой выпрямитель 13, выход отрицательного напряжения которого соединен с отрицательной обкладкой выходного фильтрового конденсатора 11, выход положительного напряжения мостового выпрямителя 13 соединен с положительной обкладкой выходного фильтрового конденсатора 9, балластный резистор 14 подключен параллельно промежуточному конденсатору 11, выводы вторичной обмотки 15 первого трансформатора подключены к входам переменного напряжения мостового выпрямителя 13.
Работу предлагаемого однотактного двухтрансформаторного преобразователя постоянного напряжения рассмотрим в установившемся режиме, при котором промежуточный и выходной конденсаторы заряжены до установившегося значения напряжения.
На этапе импульса напряжение источника 1 через открытый (замкнутый) ключ 2 подается на первичные обмотки обоих трансформаторов («+» на начало обмотки 5 и «-» на начало обмотки 6). Ток, начинающий протекать через первичные обмотки 5 и 6 трансформаторов передает в них энергию из источника 1. Большая часть энергии, поступающей в трансформатор 3, передается в его вторичную обмотку 15 («+» на начале обмотки 15) и через мостовой выпрямитель 13 передается в нагрузку, а меньшая часть энергии накапливается в индуктивности обмотки 5 и в индуктивности рассеяния обмотки 5. Т.к. диод 10 заперт («-» на начале обмотки 7), то вся энергия, поступающая во второй трансформатор 4, накапливается в трансформаторе (большая часть в индуктивности обмотки 6 и меньшая часть в индуктивности рассеяния обмотки 6).
На этапе паузы ключ 2 закрывается, ток через первичные обмотки 5 и 6 трансформаторов значительно уменьшается, в результате на всех обмотках обоих трансформаторов возникают э.д.с. самоиндукции с полярностью, противоположной полярности на этапе импульса. Напряжение самоиндукции на вторичной обмотке 15 первого трансформатора («-» на начале обмотки 15) выпрямляется мостовым выпрямителем 13, и энергия, накопленная в индуктивности первичной обмотки 5 передается в нагрузку. Также в нагрузку через диод 10 передается энергия, накопленная в индуктивности обмотки 6 второго трансформатора («+» на начале обмотки 7). Энергия, накопившаяся в индуктивностях рассеивания обмоток, частично передается через шунтирующий диод 12 в промежуточный конденсатор 11, а частично трансформируется на вторичные обмотки обоих трансформаторов и передается в нагрузку. Энергия, переданная в промежуточный конденсатор 11, рассеивается на балластном резисторе 14.
С целью, чтобы энергия, накопленная в первичных обмотках 5 и 6, передавалась только в нагрузку, сопротивление балластного резистора 14 выбирают таким, чтобы в установившемся режиме напряжение на промежуточном конденсаторе 11 было больше, чем сумма э.д.с. самоиндукции первичных обмоток 5 и 6 на этапе паузы. При этом сумма напряжений на промежуточном конденсаторе 11 и источнике 1 не должна превышать напряжения, допустимого для надежной работы ключа 2.
Для еще большего снижения мощности, рассеиваемой на ключе 2, параметры обмоток трансформаторов выбираются такими, чтобы на этапе паузы вся энергия, накопившаяся в индуктивностях первичных обмоток 5 и 6 передалась в нагрузку, благодаря чему не требуются дополнительные цепи для перемагничивания трансформатора 3, а также обеспечивается на этапе импульса в момент открывания ключа 2 нулевой ток первичных обмоток 5 и 6 и шунтирующего диода 12, что снижает нагрев ключа 2.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ:
1. Севернс Р., Блум Г. Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания: Пер. с англ. под ред. Л.Е. Смольникова. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 294 с.
2. TNY274 - 280. TinySwitch-III Family. Energy Efficient, Off-Line Switcher with Enhanced Flexibility and Extended Power Range. Data Sheet, January 2006.
3. Y. Kang, B. Choi, W. Lim. Analysis and design of a forward-flyback converter employing two transformers. Conference Paper in PESC Record - IEEE Annual Power Electronics Specialists Conference ⋅ February 2001, pp.357-362. DOI: 10.1109/PESC.2001.954046 ⋅ Source: IEEE Xplore.
4. Патент РФ на изобретение №2779933, МПК Н02М 3/335, опубл. 15.09.2022.