ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
HIGH-FREQUENCY CONVERTER

Изобретение относится к преобразовательной технике, в частности к преобразователям с высоким входным напряжением, преобразующим постоянное напряжение в постоянное, и может быть использовано в системах электропитания устройств радиотехники, автоматики и вычислительной техники.
В настоящее время развитие преобразователей электрической энергии - основных узлов источников вторичного электропитания - идет по пути миниатюризации, повышения КПД и надежности.
Существует множество известных схемных решений источников вторичного электропитания на основе однотактного прямоходового преобразователя напряжения, например, источник вторичного электропитания «классического» типа (В.Ланцов, С.Эраносян, Импульсные источники вторичного электропитания с универсальным входом, журнал «Современная электроника», №7, 2007, стр.38-43, рис.3).
Недостатком данной схемы является то, что перемагничивание магнитопровода импульсного трансформатора происходит по частному циклу. Ток намагничивания трансформатора протекает в одном направлении, а именно, от начала первичной обмотки к ее концу. Такой способ перемагничивания обуславливает увеличение площади сечения магнитопровода и количества витков силовых обмоток трансформатора, что, в конечном итоге, приводит к увеличению массы и габаритов импульсного трансформатора, а также к снижению его КПД.
Известен также однотактный прямоходовой преобразователь (А. Гончаров, Начальная школа построения импульсных DC/DC-преобразователей, журнал Электронные компоненты №6, 2002, стр.106-111, №7, 2002, стр.119-122, №1, 2003, стр.97-100), состоящий из схемы управления и силовой цепи, включающей в себя импульсный трансформатор с тремя обмотками (первичная, рекуперирующая и вторичная), ключ (МДП-транзистор, шунтированный последовательно включенными резистором и конденсатором), а также два диода, дроссель и конденсатор фильтра.
Недостатками схемы данного преобразователя являются ограниченная область его применения, большие масса и габариты, низкий КПД.
На высоких частотах (более 100 кГц) очень трудно обеспечить хорошую магнитную связь между первичной и рекуперирующей обмотками трансформатора, для этого необходимо наматывать эти обмотки одновременно. Это может вызывать пробой между ними, для исключения которого применяют значительный слой изоляции, что, в свою очередь, приводит к увеличению массы и габаритов преобразователя.
Кроме того, введение в схему преобразователя дополнительной обмотки приводит к увеличению индуктивности рассеяния, накопленной в ней энергии и росту превышения напряжения на стоке МДП-транзистора при его выключении. Этот факт увеличивает риск выхода из строя транзистора, что вызывает необходимость либо использовать в данной схеме приборы с уникальными свойствами по быстродействию, перегрузочной способности, стойкости к вторичному пробою, либо вводить две защитные цепи: первая RCD-цепь - шунтирует первичную обмотку трансформатора, вторая RC-цепь - шунтирует МДП-транзистор. Отмеченные особенности ограничивают область применения данной схемы преобразователя.
Кроме того, на резисторах защитных цепей будет рассеиваться значительная мощность, т.е. КПД преобразователя снижается.
Наиболее близким по технической сущности, т.е. прототипом, заявляемого изобретения, является высокочастотный преобразователь (патент на полезную модель, №87843, РФ, H02M 3/335, опубл. бюл. №29, 2009 г.), состоящий из схемы управления и силовой цепи, включающей в себя МДП-транзистор, импульсный трансформатор с дополнительным отводом вторичной обмотки, два диода, конденсатор и дроссель фильтра, гасящий резистор, p-n-p-транзистор и цепь, состоящую из последовательно включенных размагничивающего резистора и дополнительного конденсатора. При этом начало первичной обмотки импульсного трансформатора подключено к первой входной клемме, а конец первичной обмотки соединен со стоком МДП-транзистора, исток которого подключен ко второй входной клемме и первому выводу схемы управления. Второй вывод схемы управления соединен с базой p-n-p транзистора и, через гасящий резистор, с затвором МДП-транзистора и эмиттером p-n-p транзистора, коллектор которого подключен к истоку МДП-транзистора.
К началу вторичной обмотки импульсного трансформатора подключен анод первого диода, катод которого соединен с катодом второго диода и с первым выводом дросселя, второй вывод дросселя соединен с положительной обкладкой конденсатора фильтра и с первой выходной клеммой. Отрицательная обкладка конденсатора фильтра соединена со второй выходной клеммой и дополнительным отводом вторичной обмотки импульсного трансформатора, а конец вторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с анодом второго диода. Первый вывод размагничивающего резистора подключен к началу вторичной обмотки импульсного трансформатора, второй вывод размагничивающего резистора подключен к первому выводу дополнительного конденсатора, второй вывод которого соединен с дополнительным отводом вторичной обмотки импульсного трансформатора. Магнитопровод импульсного трансформатора выполнен из аморфного сплава.
Недостатками данного преобразователя являются ограниченная область его применения, невысокая надежность, а также низкий КПД, при достаточно больших массе и габаритах.
Это связано с тем, что магнитопровод трансформатора имеет большой разброс по магнитной проницаемости.
При большой индуктивности намагничивания по обмотке трансформатора протекает малый ток намагничивания. Перезаряд конденсатора цепи, шунтирующей вторичную обмотку трансформатора в данной схеме, происходит довольно долго. Поэтому, до начала формирования следующего импульса, трансформатор не успевает перемагнититься. По его первичной обмотке протекает постоянный ток, что вызывает насыщение магнитопровода. При значительном насыщении магнитопровода трансформатора, включение МДП-транзистора приводит к выходу его из строя.
Для устранения эффекта насыщения в схемотехнике применяют магнитопроводы с небольшой крутизной кривой намагничивания. Такие магнитопроводы обладают малой магнитной проницаемостью, а трансформаторы с такими магнитопроводами - малой индуктивностью намагничивания. Поэтому для получения требуемого тока намагничивания необходимо увеличение числа витков обмоток трансформатора, что, в свою очередь, приводит к увеличению его массы и габаритов.
При малой индуктивности намагничивания ток намагничивания и энергия, накапливаемая в ней, имеют большие значения. Перезаряд конденсатора цепи, шунтирующей вторичную обмотку трансформатора, происходит быстро, напряжение на конденсаторе, а также напряжение, приложенное к выводам сток-исток МДП-транзистора, при его выключенном состоянии, достигают большой величины. Это приводит к выходу МДП-транзистора из строя.
Технический результат изобретения - улучшение массогабаритных показателей преобразователя, увеличение его КПД, повышение надежности, а также, расширение области его применения.
Технический результат достигается тем, что в высокочастотный преобразователь, взятый за прототип, и состоящий из схемы управления и силовой цепи, включающей в себя импульсный трансформатор, МДП-транзистор, два диода, дроссель и конденсатор фильтра, а также цепь из последовательно включенных размагничивающего резистора и дополнительного конденсатора, введены дополнительные дроссель и диод. При этом начало первичной обмотки импульсного трансформатора подключено к первой входной клемме преобразователя, а ее конец, через переход сток-исток МДП-транзистора, ко второй входной клемме преобразователя. Вторичная обмотка импульсного трансформатора своим началом подключена к аноду первого диода, катод которого соединен с катодом второго диода и с первым выводом дросселя фильтра, второй вывод которого соединен с положительной обкладкой конденсатора фильтра и с первой выходной клеммой преобразователя. Отрицательная же обкладка конденсатора фильтра соединена со второй выходной клеммой преобразователя и концом вторичной обмотки импульсного трансформатора. Кроме того, конец вторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с анодом второго диода и вторым выводом дополнительного конденсатора. Первый вывод дополнительного конденсатора подключен ко второму выводу размагничивающего резистора, первый вывод которого подключен к началу вторичной обмотки трансформатора. При этом, первый вывод вновь введенного дополнительного дросселя подключен к началу вторичной обмотки импульсного трансформатора, а его второй вывод - к концу вторичной обмотки трансформатора. Катод, вновь введенного дополнительного диода, соединен с первым выводом размагничивающего резистора, а его анод подключен к точке соединения размагничивающего резистора и дополнительного конденсатора. Магнитопровод импульсного трансформатора выполнен из аморфного сплава.
На чертеже представлена структурная схема предлагаемого высокочастотного преобразователя, где приняты следующие обозначения:
1, 2 - первая и вторая входные клеммы;
3 - схема управления;
4 - МДП-транзистор;
5 - импульсный трансформатор;
6 - дополнительный дроссель;
7 - размагничивающий резистор;
8 - дополнительный конденсатор;
9 - дополнительный диод;
10, 11 - диоды;
12 - дроссель фильтра;
13 - конденсатор фильтра;
14, 15 - первая и вторая выходные клеммы.
Высокочастотный преобразователь состоит из схемы управления 3 и силовой цепи, включающей в себя МДП-транзистор 4, импульсный трансформатор 5, выпрямитель, состоящий из диодов 10, 11, фильтра, образованного дросселем 12 и конденсатором 13. В состав преобразователя также входят дополнительный дроссель 6, размагничивающий резистор 7, дополнительный конденсатор 8 и дополнительный диод 9, которые образуют цепь перемагничивания импульсного трансформатора 5.
При этом начало первичной обмотки импульсного трансформатора 5 подключено к входной клемме 1, а конец первичной обмотки соединен со стоком МДП-транзистора 4, исток которого подключен к входной клемме 2, а затвор - к схеме управления. К началу вторичной обмотки импульсного трансформатора 5 подключен анод диода 10, катод которого соединен с катодом диода 11 и первым выводом дросселя 12 фильтра. Второй вывод дросселя 12 фильтра соединен с положительной обкладкой конденсатора фильтра 13 и с выходной клеммой 14. Отрицательная обкладка конденсатора 13 фильтра соединена с выходной клеммой 15, с концом вторичной обмотки импульсного трансформатора 5 и анодом диода 11. Первый вывод размагничивающего резистора 7 подключен к началу вторичной обмотки импульсного трансформатора 5, а второй вывод размагничивающего резистора 7 подключен к первому выводу дополнительного конденсатора 8, второй вывод которого соединен с концом вторичной обмотки импульсного трансформатора 5. Дополнительный дроссель 6 соединен первым своим выводом с началом вторичной обмотки импульсного трансформатора 5, а вторым выводом - с концом вторичной обмотки импульсного трансформатора 5.
Кроме того, схема высокочастотного преобразователя охвачена обратной связью по напряжению и по току (не показаны).
Высокочастотный преобразователь работает следующим образом.
ВХ
При наличии входного напряжения U на клеммах 1, 2 и подаче схемой управления 3 положительного импульса на затвор МДП-транзистора 4, он открывается. Начинает протекать ток по цепи: клемма 1, первичная обмотка импульсного трансформатора 5, сток-исток МДП-транзистора 4, клемма 2.
К первичной обмотке импульсного трансформатора 5 прикладывается напряжение, которое трансформируется во вторичную его обмотку. Начинает протекать ток по цепи: начало вторичной обмотки импульсного трансформатора 5, диод 10, дроссель 12 фильтра, клемма 14, нагрузка (на фигуре не показана), клемма 15, конец вторичной обмотки импульсного трансформатора 5. Одновременно протекает ток и по цепи: начало вторичной обмотки импульсного трансформатора 5, размагничивающий резистор 7, дополнительный конденсатор 8, конец вторичной обмотки импульсного трансформатора 5. Кроме того, протекает ток еще и по цепи: начало вторичной обмотки импульсного трансформатора 5, дополнительный дроссель 6, конец вторичной обмотки трансформатора 5.
Размагничивающий резистор 7, ограничивает ток перехода сток-исток МДП-транзистора 4, а дополнительный конденсатор 8 уменьшает скорость изменения напряжения на первичной и вторичной обмотках импульсного трансформатора 5, что в свою очередь, приводит к уменьшению радиопомех.
При прекращении импульса, подаваемого на затвор МДП-транзистора 4 схемой управления 3, он выключается. Однако, при выключении МДП-транзистора 4, ток через нагрузку не прекращается, он поддерживается за счет энергии, запасенной в дросселе 12 фильтра, и протекает по цепи: дроссель 12 фильтра, клемма 14, нагрузка (на фигуре не показана), клемма 15, дополнительный конденсатор 8, дополнительный диод 9, диод 10, дроссель 12 фильтра. При этом диод 11 закрыт напряжением дополнительного конденсатора 8, а энергия, накопленная в конденсаторе 8, выводится в цепь нагрузки. Конденсатор 13 фильтра обеспечивает требуемые пульсации напряжения на нагрузке.
Суммарный ток индуктивности намагничивания импульсного трансформатора 5 и дополнительного дросселя 6, протекает по цепи: конец вторичной обмотки импульсного трансформатора 5, второй вывод дополнительного дросселя 6, дополнительный конденсатор 8, дополнительный диод 9, начало вторичной обмотки импульсного трансформатора 5 и первый вывод дополнительного дросселя 6.
Дополнительный конденсатор 8, разряжаясь (его напряжения снижается до нуля), отпирает диод 11, при этом диод 10 запирается. При этом ток нагрузки начинает протекать по цепи: катод диода 11, дроссель 12 фильтра, клемма 14, нагрузка (на фигуре не показана), клемма 15, анод диода 11.
Дополнительный конденсатор 8 начинает вновь заряжаться суммарным током индуктивности намагничивания импульсного трансформатора 5 и дополнительного дросселя 6, но в обратной полярности, по цепи: конец вторичной обмотки импульсного трансформатора 5 и второй вывод дополнительного дросселя 6, дополнительный конденсатор 8, дополнительный диод 9, начало вторичной обмотки импульсного трансформатора 5 и первый вывод дополнительного дросселя 6. При этом диод 10 закрыт обратным напряжением дополнительного конденсатора 8, которое прикладывается к нему через диод 11.
Процесс в этом контуре носит колебательный характер, а именно, начиная с момента, когда напряжение дополнительного конденсатора 8 достигает максимального значения, суммарный ток намагничивания импульсного трансформатора 5 и дополнительного дросселя 6 становится равным нулю, а затем меняет свое направление и протекает по цепи: дополнительный конденсатор 8, параллельно соединенные вторичная обмотка импульсного трансформатора 5 и дополнительного дросселя 6, размагничивающий резистор 7. Дополнительный конденсатор 8 разряжается (напряжение конденсатора 8 достигает нуля к моменту очередного отпирания транзистора 4). При этом суммарный ток намагничивания трансформатора 5 и дросселя 6, с учетом малой величины этого тока и потерь в контуре перезаряда, принимает то же значение, которое он имел в момент выключения транзистора 4.
ВХ
ВХ
Цепь обратной связи по напряжению обеспечивает стабильность выходного напряжения (U) в заданных пределах при изменении входного напряжения (U) и тока нагрузки за счет широтно-импульсной модуляции напряжения первичной обмотки трансформатора 5 (обратная связь по напряжению обеспечивается тем, что на схему управления подается напряжение с выходных клемм).
Цепь обратной связи по току ограничивает ток дросселя 12 фильтра при пуске, а также ограничивает ток нагрузки при перегрузке и коротком замыкании (обратная связь по току обеспечивается трансформатором тока, первичная обмотка которого включается в цепь истока МДП-транзистора, а вторичная обмотка трансформатора тока подключена к схеме управления).
Введение в схему преобразователя дополнительного дросселя 6 обеспечивает размагничивание трансформатора 5 через его вторичную обмотку до момента начала формирования следующего импульса. Тем самым, исключается возможность насыщения трансформатора 5, т.е. увеличивается надежность работы преобразователя.
Кроме того, наличие дополнительного дросселя 6 позволяет получить минимальное напряжение на первичной обмотке трансформатора 5 при выключенном МДП-транзисторе 4 и, следовательно, минимальное напряжение на его переходе сток-исток, тем самым исключить возможность выхода из строя МДП-транзистора, а в целом, расширить область применения рассматриваемого преобразователя и повысить надежность его работы.
Введение в предлагаемую схему преобразователя дополнительного диода 9 позволяет уменьшить мощность, рассеиваемую на резисторе 7, тем самым увеличить КПД преобразователя. Кроме того, обеспечивается работа трансформатора 5 по полному симметричному циклу перемагничивания. В данном преобразователе нет необходимости в дополнительной вторичной обмотке (дополнительном выводе). Это, в свою очередь, позволяет уменьшить количество витков обмоток трансформатора и площадь сечения магнитопровода трансформатора 5, т.е. уменьшить массу и габариты преобразователя и повысить его КПД.
Наличие дополнительного конденсатора 8 также обеспечивает уменьшение коммутационных перенапряжений, возникающих при включении МДП-транзистора 4, вызванных энергией, запасенной в индуктивности рассеяния, и уменьшает уровень радиопомех.
Согласно предлагаемому решению на предприятии были изготовлены высокочастотные преобразователи с входным напряжением 500 В (380 В), выходным напряжением 27…28 В, мощностью до 150 Вт и частотой преобразования энергии 100 кГц, которые используются для электропитания радиоэлектронной аппаратуры и емкостных накопителей с импульсной нагрузкой.