КОНВЕРТЕР ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
DC VOLTAGE CONVERTER

Изобретение относится к однотактным импульсным устройствам преобразования электрической энергии с трансформаторной нагрузкой. Областью применения изобретения является создание вторичных источников питания и зарядных устройств.
Известны аналогичные устройства - см., например, [1].
Недостатком известных устройств является большая мощность, рассеиваемая на элементах подавления выброса напряжения, возникающего на первичной обмотке трансформатора при размыкании коммутирующего ключа. Известны два основных схемотехнических приема подавления таких выбросов, которые показаны на фиг.7, фиг.8 упомянутого документа соответственно. В первом варианте уменьшение амплитуды выброса обеспечивается с помощью специального выпрямителя, включенного параллельно первичной обмотке трансформатора конвертера и нагруженного активным сопротивлением. Этот вариант представлен на фиг.7. Такой способ является достаточно экономичным лишь до тех пор, пока индуктивность рассеяния трансформатора с учетом других эффектов намного меньше индуктивности его первичной обмотки. Это объясняется тем, что при таких условиях для существенного уменьшения амплитуды выброса на коллекторе или стоке ключевого транзистора достаточно небольшой емкости на выходе ограничительного выпрямителя и эта емкость в значительной степени успевает разрядиться через высокоомный нагрузочный резистор за время одного такта работы конвертера. При этом, невзирая на то, что по окончании выброса к разрядному резистору приложено все напряжение первичной обмотки трансформатора, мощность, рассеиваемая на этом резисторе, оказывается незначительной при достаточно эффективном ограничении выброса.
Однако если ставится задача минимизировать объем конвертера, то приходится по возможности уменьшать и объем трансформатора. При этом необходимая выходная мощность конвертера обеспечивается за счет увеличения немагнитного зазора трансформатора, а это, в свою очередь, приводит к значительному ухудшению соотношения между индуктивностью первичной обмотки трансформатора и индуктивностью рассеяния. В результате мощность, запасаемая в индуктивности рассеяния, может достигать 5-10% от выходной мощности конвертера. Естественно, что при этом приходится увеличивать емкость ограничительного выпрямителя для предотвращения роста амплитуды выброса на коллекторе (стоке) ключевого транзистора и соответственно уменьшать сопротивление разрядного резистора, который вследствие этого начинает расходовать заметную полезную мощность от первичной обмотки. При этом общая мощность, рассеиваемая на этом резисторе, может превышать 10% от выходной мощности конвертера, что не только ухудшает КПД, но и приводит к дополнительному нагреву и увеличению габаритов устройства.
Другой известный вариант ограничения выбросов представлен на фиг.8 упомянутого документа. Этот способ сводится к использованию полупроводникового ограничителя, включаемого параллельно первичной обмотке трансформатора. Положительным эффектом от использования такого технического решения является отсутствие тока через схему ограничения после окончания выброса, поскольку напряжение ограничения всегда может быть выбрано меньше напряжения выброса на индуктивности рассеяния, но больше рабочего напряжения на обмотке.
Однако и в этом случае мощность, выделяемая на элементах ограничения, при большой индуктивности рассеяния слишком велика, поскольку, например, в случае использования трансформатора с индуктивностью рассеяния, составляющей 7% от индуктивности первичной обмотки, при выходной мощности конвертера 30 Вт мощность, выделяющаяся на элементах ограничения выброса, составит примерно 2 Вт. И вся эта мощность рассеивается на элементах ограничителя, существенно снижая КПД конвертера и способствуя повышению его рабочей температуры. В результате приходится либо уменьшать выходную мощность, либо увеличить объем конвертера для обеспечения нормального теплового режима.
Следует отметить, что если в конвертере ограничитель выбросов вообще отсутствует, то и в этом случае вся энергия, запасенная в индуктивности рассеяния, прямо или косвенно превращается в тепло, рассеиваясь в трансформаторе и корпусе ключевого транзистора.
Следовательно, при решении задач минимизации объема любого однотактного конвертера с трансформаторной нагрузкой и при использовании любых способов ограничения напряжения на первичной обмотке необходимо уменьшать мощность, запасаемую в индуктивности рассеяния.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является конвертер, представленный на фиг.8 [1].
Это устройство содержит коммутирующий блок с нагрузочным трансформатором и ограничитель выброса напряжения, включенный между положительной шиной первичного источника питания и выходом коммутирующего блока. Ограничитель напряжения выброса напряжения содержит последовательно включенные между выводами первичной обмотки трансформатора диод и стабилитрон.
Задачей настоящего изобретения является уменьшение объема конвертера постоянного напряжения за счет снижения мощности, рассеиваемой на его элементах.
С этой целью в конвертер постоянного напряжения, содержащий коммутирующий блок с нагрузочным трансформатором и ограничитель выброса напряжения, включенный между положительной шиной первичного источника питания и выходом коммутирующего блока, введены дополнительно обмотка, размещенная между слоями или витками первичной обмотки трансформатора, включенная согласно и последовательно с ней со стороны, противоположной соединению первичной обмотки с коммутирующим блоком, а также диод и конденсатор, причем анод диода соединен с первым выводом конденсатора и подключен к шине первичного источника питания, его катод подключен к свободному выводу дополнительной обмотки, а второй вывод конденсатора подключен к точке соединения первичной обмотки трансформатора с дополнительной обмоткой.
Функциональная схема предлагаемого устройства представлена на фиг.1.
Устройство содержит коммутирующий блок 1, нагрузочный трансформатор 2, ограничитель выброса напряжения 3, дополнительную обмотку 4, диод 5 и конденсатор 6.
Устройство работает следующим образом. Известно, что первичная и выходная обмотки любого трансформатора с целью обеспечения достаточной электропрочности и просто из конструктивных соображений всегда размещаются на некотором расстоянии друг от друга. Причем под расстоянием подразумевается не толщина изоляции, а промежуток между средними линиями обмоток, имеющими обычно достаточно большую толщину. Вследствие этого часть магнитного потока, возбуждаемого первичной обмоткой, замыкается по воздуху внутри вторичной обмотки, минуя сердечник трансформатора и не создавая никакой ЭДС во вторичной обмотке.
В результате выпрямитель, подключенный к выходной обмотке конвертера и ограничивающий напряжение на вторичной и первичной обмотках в соответствии с соотношением числа витков в обеих обмотках, не может ограничивать напряжение на первичной обмотке трансформатора, возникающее за счет той части магнитного потока, который замыкается вне сердечника. Эта часть магнитного потока соответствует индуктивности рассеяния и содержащаяся в ней энергия расходуется первичной обмоткой на образование выброса напряжения. Кроме этого, причиной возникновения выброса является наличие паразитных индуктивностей в цепях, соединяющих выходную обмотку трансформатора с конденсатором фильтра, включая индуктивность выпрямительного диода, влияние которых наиболее существенно при больших выходных токах конвертера.
Следовательно, поскольку выброс напряжения возникает в результате неэффективности выходного выпрямителя вследствие пространственного разноса первичной и вторичной обмоток, для уменьшения влияния индуктивности рассеяния предлагается использовать дополнительный выпрямитель, нагруженный на обмотку, ток через которую невелик и которая имеет максимально сильную связь с первичной обмоткой трансформатора 2. Такую связь можно обеспечить, поместив дополнительную обмотку 4 максимально близко к первичной, например, между слоями первичной обмотки или намотав первичную и дополнительную обмотки в два провода. При этом дополнительная обмотка 4 может иметь очень малый объем, поскольку передаваемая ею энергия и, соответственно, средняя величина тока настолько же отличаются от этих показателей для первичной обмотки, насколько индуктивность рассеяния меньше индуктивности первичной обмотки. Малый объем дополнительной обмотки 4 практически не уменьшает габаритную мощность и практически не усложняет конструкцию трансформатора 2, у которого появляется единственный дополнительный вывод.
При этом выпрямитель, подключенный к дополнительной обмотке (диод 5 и конденсатор 6), является намного более эффективным, поскольку может замыкать на емкость значительно большую часть энергии магнитного поля, созданную первичной обмоткой, а паразитные индуктивности соединительных проводников ввиду малости выпрямляемого тока для этого выпрямителя совершенно несущественны. Причем поскольку этот выпрямитель нагружен на емкость, много меньшую, нежели основной выпрямитель конвертера и не имеет активной нагрузки, он оказывается эффективным только тогда, когда неэффективен основной выпрямитель, т.е. при разряде энергии, содержащейся в индуктивности рассеяния. Соответственно он не потребляет никакой части выходной мощности.
Полностью подавить выброс напряжения на первичной обмотке трансформатора с помощью предлагаемого технического решения удалось бы, видимо, только если первичная обмотка трансформатора и дополнительная обмотка 4 были бы целиком намотаны в два провода. Однако из-за необходимости обеспечения достаточной электропрочности изоляции между обеими обмотками объем первичной обмотки в таком случае существенно увеличился бы, что привело бы к уменьшению максимальной выходной мощности используемого трансформатора. Поэтому число витков дополнительной обмотки обычно составляет не более 20% от числа витков первичной обмотки, намотанных в один слой тонким проводом. Это упрощает конструкцию трансформатора и позволяет практически полностью сохранить его габаритную мощность. В таком случае остаточная мощность в выбросе обычно уменьшается в 4-8 раз и его можно ограничить любой известной схемой ограничения без существенного выделения тепла.
Однако конденсатор 6 дополнительного выпрямителя необходимо разряжать, иначе напряжение на нем через несколько тактов работы конвертера может сравняться с амплитудой выброса на индуктивности рассеяния без ограничения. Если для этой цели использовать резистор, то энергия, запасенная в индуктивности рассеяния, будет превращаться в тепло, что противоречит поставленной задаче. Кроме этого будет отбираться часть мощности от выходной обмотки. Поэтому предлагается осуществлять разряд емкости дополнительного выпрямителя непосредственно током заряда первичной обмотки трансформатора в каждом следующем такте преобразования, т.к. в таком случае исключаются активные потери энергии. Это возможно реализовать, если напряжение на конденсаторе 6 дополнительного выпрямителя будет суммироваться с напряжением первичного источника, и эта сумма будет питающей для первичной обмотки трансформатора конвертера. Именно так функционирует заявляемое устройство.
При замыкании ключевого элемента в коммутирующем блоке 1 ток заряда первичной обмотки трансформатора 2 проходит через конденсатор 6. При этом на верхнем по схеме выводе дополнительной обмотки 4 потенциал положителен, диод 5 заперт и все дополнительные элементы не оказывают никакого влияния на работу конвертера. После размыкания ключа напряжение на первичной обмотке меняется на обратное, при этом верхний по схеме вывод дополнительной обмотки 4 оказывается соединенным через диод 5 с шиной первичного источника питания, а конденсатор 6 с другого конца этой обмотки заряжается положительным напряжением, причем из-за сильной связи между первичной и дополнительной обмоткой 4 значительная часть магнитной энергии, не поступающая к выходной обмотке, замыкается в этом конденсаторе. Оставшаяся часть энергии превращается в выброс напряжения на первичной обмотке, мощность которого значительно уменьшена.
После окончания такта разряда индуктивности первичной обмотки напряжение на конденсаторе 6 имеет такую полярность, что суммируется с напряжением первичного источника. При этом в момент замыкания ключа коммутирующего блока 1 к первичной обмотке приложено напряжение, большее напряжения первичного питания. Из-за протекающего тока заряда первичной обмотки конденсатор 6 разряжается, а запасенная в нем энергия преобразуется в дополнительную энергию магнитного поля. В результате к моменту размыкания ключа коммутирующего блока 1 конденсатор 6 оказывается разряженным и готовым к следующему циклу преобразования энергии, запасенной в индуктивности рассеяния. В случае если емкость конденсатора 6 невелика и напряжение на нем за период замкнутого состояния ключа меняется на противоположное, этот конденсатор может быть зашунтирован диодом, подключенным анодом к положительной шине первичного источника.
При использовании предлагаемого технического решения для ограничения остаточного выброса напряжения можно воспользоваться любой известной схемой, в том числе показанными на фиг.7 и 8 документа [1].
Источники информации
1. Power Integrations. TOP221-227. Datasheet, (www.datasheetcatalog.com)