ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Полезная модель относится к высокочастотным преобразователям с высоким входным напряжением, преобразующим постоянное напряжение в постоянное.
Данная полезная модель может быть использована при конструировании радиоэлектронной аппаратуры в качестве источника вторичного электропитания.
Известен высокочастотный преобразователь [1], являющийся наиболее близким по технической сущности, т.е. прототипом, заявляемой полезной модели, состоящий из схемы управления и силовой цепи, включающей в себя МДП-транзистор и импульсный трансформатор, начало первичной обмотки которого подключено к первой входной клемме. Первичная обмотка импульсного трансформатора через первый диод шунтирована параллельно включенными резистором и конденсатором. Стабилитрон анодом соединен с началом первичной обмотки, а катодом с катодом первого диода. Конец первичной обмотки соединен со стоком МДП-транзистора, исток которого подключен ко второй входной клемме, схема управления подключена к затвору и истоку МДП-транзистора. К началу вторичной обмотки импульсного трансформатора подключен анод второго диода, катод которого соединен с катодом третьего диода и с первым выводом дросселя фильтра. Второй вывод дросселя фильтра соединен с положительной обкладкой конденсатора фильтра и с первой выходной клеммой, отрицательная обкладка конденсатора фильтра соединена со второй выходной клеммой. Дополнительный отвод вторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с отрицательной обкладкой конденсатора фильтра, а конец вторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с анодом третьего диода. Магнитопровод импульсного трансформатора выполнен из аморфного сплава.
Недостатком схемы прототипа является его ограниченная область применения, из-за использования импортных элементов, у которых отсутствуют сведения о надежности (т.е. о наработке на отказ) и о допустимых внешних воздействующих факторах (климатических и механических воздействиях, устойчивости к ионизирующим излучениям).
Это связано с тем, что реализовать данную схему высокочастотного преобразователя с высокими качественными показателями на отечественной элементной базе не представляется возможным, т.к. наша промышленность не выпускает диодов, обладающих необходимыми для данной схемы величинами обратного напряжения, прямого тока и временем восстановления обратного сопротивления. А отечественные МДП-транзисторы, например 2П829А, имеют емкость цепи «затвор-исток», равную 8000-10000 пФ, тогда как у импортных аналогов эта емкость равна 2000…2500 пФ. При идентичной схеме управления у МДП-транзистора 2П829А время разряда этой емкости составляет 250…300 нс, а у МДП-транзистора АРТ1201 R2FLL - 100 нс.
Увеличение времени разряда этой емкости приводит к возрастанию времени выключения МДП-транзистора, что, в свою очередь, приводит к возрастанию мощности динамических потерь и в результате к уменьшению КПД высокочастотного преобразователя.
Тот факт, что в данной схеме возможно применение только импортных МДП-транзисторов и диодов фирм IR или APT (IRFPG50, APT1201R2FLL, IR307) и то, что для них не приводятся сведения о надежности и внешних воздействующих факторах в справочной литературе, говорит об ограничении применения данной схемы.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является расширение ее области применения и повышение надежности.
Технический результат достигается тем, что в высокочастотный преобразователь, взятый за прототип, состоящий из схемы управления и силовой цепи, включающей в себя МДП-транзистор и импульсный трансформатор, начало первичной обмотки которого 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, 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, кроме того, магнитопровод импульсного трансформатора выполнен из аморфного сплава, введены гасящий резистор и p-n-p транзистор, а также цепь, состоящая из последовательно включенных размагничивающего резистора и дополнительного конденсатора, при этом, 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, 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.
На фигуре показана структурная схема предлагаемого высокочастотного преобразователя, где приняты следующие обозначения:
1 - схема управления;
2 - импульсный трансформатор;
3 - первичная обмотка импульсного трансформатора;
4 - вторичная обмотка импульсного трансформатора;
5 - МДП-транзистор;
6, 7 - первый и второй диоды (соответственно);
8 - гасящий резистор;
9 - размагничивающий резистор;
10 - дополнительный конденсатор;
11 - конденсатор фильтра;
12 - p-n-p транзистор;
13 - дроссель;
14 - первая входная клемма;
15 - вторая входная клемма;
16 - первая выходная клемма;
17 - вторая выходная клемма.
Высокочастотный преобразователь состоит из схемы управления 1 и силовой цепи, включающей в себя МДП-транзистор 5 и импульсный трансформатор 2. Начало первичной обмотки 3 трансформатора 2 подключено к входной клемме 14, а конец первичной обмотки 3 соединен со стоком МДП-транзистора 5, исток которого подключен к входной клемме 15. Первый вывод схемы управления 1 подключен к истоку МДП-транзистора 5. К началу вторичной обмотки 4 импульсного трансформатора 2 подключен анод первого диода 6, катод которого соединен с катодом второго диода 7 и первым выводом дросселя 13. Второй вывод дросселя 13 соединен с положительной обкладкой конденсатора 11 фильтра и с выходной клеммой 16. Отрицательная обкладка конденсатора 11 фильтра соединена с выходной клеммой 17 и с дополнительным выводом вторичной обмотки 4 импульсного трансформатора 2. Конец вторичной обмотки 4 соединен с анодом второго диода 7. Гасящий резистор соединяет второй вывод схемы управления 1 с затвором МДП-транзистора 5.
Эмиттер p-n-p транзистора 12 подключен к затвору МДП-транзистора 5, его база ко второму выводу схемы управления 1, а коллектор - к истоку МДП-транзистора 5. Первый вывод размагничивающего резистора 9 подключен к началу вторичной обмотки 4 импульсного трансформатора 2, а второй вывод резистора 9 подключен к первому выводу дополнительного конденсатора 10, второй вывод которого соединен с дополнительным отводом вторичной обмотки 4 импульсного трансформатора 2.
Схема высокочастотного преобразователя охвачена обратной связью по напряжению и по току (на фигуре не обозначено).
Обратная связь по напряжению обеспечивается тем, что на схему управления 1 подается напряжение с выходных клемм 16, 17 (Uвых).
Обратная связь по току обеспечивается трансформатором тока, первичная обмотка которого включается в цепь истока МДП-транзистора 5, а вторичная обмотка подключается к схеме управления 1.
Высокочастотный преобразователь работает следующим образом.
При наличии входного напряжения (Uвx) на клеммах 14, 15 и подаче положительного импульса со второго вывода схемы управления 1, через гасящий резистор 8, на затвор МДП-транзистора 5, он открывается. Емкость «затвор-исток» заряжается. Начинает протекать ток по цепи: клемма 14, первичная обмотка 3 импульсного трансформатора 2, сток-исток МДП-транзистора 5, клемма 15.
Время включения МДП-транзистора зависит от величины сопротивления резистора цепи затвора. При уменьшении сопротивления резистора уменьшаются динамические потери мощности в МДП-транзисторе. Однако слишком малое время включения МДП-транзистора приводит к резкому возрастанию скорости изменения тока и напряжения в цепях МДП-транзистора. Высокие скорости изменения тока и напряжения в цепях МДП-транзистора при его включении приводят к процессу ударного возбуждения. Контура, образованные «паразитными» индуктивностями и емкостями цепей преобразователя, генерируют высокочастотные колебания. Этот процесс формирования радиопомехи может быть представлен в виде затухающих колебаний. Радиопомехи имеют широкий спектр частот, и устранить их довольно сложно. Следует находить компромиссное решение при выборе величины сопротивления резистора цепи затвора МДП-транзистора [2, 3].
К первичной обмотке 3 импульсного трансформатора 2 прикладывается напряжение, которое трансформируется во вторичную обмотку 4. Начинает протекать ток по цепи: начало вторичной обмотки 4, первый диод 6, дроссель 13, клемма 16, нагрузка (на фигуре не показана), клемма 17, дополнительный вывод вторичной обмотки 4.
Одновременно протекает ток по цепи: начало вторичной обмотки 4, размагничивающий резистор 9, дополнительный конденсатор 10, дополнительный вывод вторичной обмотки 4. Наличие этой цепи приводит к уменьшению резкого изменения напряжения на первичной и вторичной обмотках, перенапряжений на МДП-транзисторе и, следовательно, радиопомех.
При окончании импульса, подаваемого со второго вывода схемы управления 1 на затвор МДП-транзистора 5, ее второй вывод соединяется с первым выводом. Начинается разряд емкости «затвор-исток» МДП-транзистора 5 по цепи: затвор, переход эмиттер-база транзистора 12, второй-первый выводы схемы управления 1, исток. Транзистор 12 включается и основной разряд емкости «затвор-исток» МДП-транзистора 5 проходит по цепи: затвор, переход эмиттер-коллектор транзистора 12, исток. Происходит «быстрый» разряд емкости «затвор-исток» МДП-транзистора 5 и, следовательно, его «быстрое» выключение.
Ток, вызванный энергией, запасенной в индуктивности рассеяния и индуктивности намагничивания, протекает по цепи: дополнительный вывод вторичной обмотки 4 импульсного трансформатора 2, дополнительный конденсатор 10, размагничивающий резистор 9, начало вторичной обмотки 4. Происходит размагничивание трансформатора 2.
При выключении МДП-транзистора 5 закрывается первый диод 6. Однако, ток через нагрузку не прекращается, он поддерживается за счет энергии, запасенной в дросселе 13 фильтра, и протекает по цепи: дроссель 13, клемма 16, нагрузка, клемма 17, дополнительный отвод вторичной обмотки 4, конец вторичной обмотки 4, второй диод 7. Конденсатор 11 фильтра обеспечивает требуемые пульсации напряжения на нагрузке.
Цепь обратной связи по напряжению обеспечивает стабильность выходного напряжения (Uвых) в заданных пределах при изменении входного напряжения (Uвx) и тока нагрузки, используя широтно-импульсную модуляцию тока первичной обмотки 3 трансформатора 2 (на фигуре не обозначено).
Цепь обратной связи по току ограничивает ток дросселя 13 фильтра при пуске, а также ограничивает ток нагрузки при перегрузке и коротком замыкании (на фигуре не обозначено).
В предлагаемой схеме напряжение, приложенное к МДП-транзистору 5, после его выключения складывается из напряжения на входе преобразователя (Uвx) и напряжения, приложенного к первичной обмотке 3 трансформатора 2. При увеличении напряжения на входе преобразователя (Uвx) цепь обратной связи по напряжению ограничивает длительность импульса тока, протекающего по первичной обмотке 3 трансформатора 2 и МДП-транзистору 5. При выключении транзистора 5 напряжение, приложенное к первичной обмотке 3 трансформатора 2, снижается, и суммарное напряжение, приложенное к МДП-транзистору 5, не увеличивается. Коммутационных перенапряжений, вызываемых индуктивностью рассеяния, здесь не наблюдается, поэтому при увеличении входного напряжения, напряжение, приложенное к МДП-транзистору 5, практически не возрастает.
При постоянном напряжении на входе высокочастотного преобразователя 500 В (переменное напряжение 380 В), скважности импульса тока цепи сток-исток МДП-транзистора 0,3, напряжение, приложенное к цепи сток-исток, примерно равно 800 В.
Используемая в прототипе довольно сложная цепь размагничивания трансформатора, состоящая из импортного диода, стабилитрона, резистора и конденсатора, подключаемая к первичной обмотке 3 трансформатора 2, исключена из схемы предложенного преобразователя. Здесь для обеспечения размагничивания трансформатора, т.е. для удаления энергии, запасенной в индуктивности намагничивания, установлена сравнительно простая RC-цепочка, шунтирующая вторичную обмотку 4 трансформатора 2.
Энергия, запасенная в индуктивности намагничивания трансформатора 2 сравнительно невелика, поскольку у используемого в качестве магнитопровода аморфного сплава магнитная проницаемость не ниже 20000. Мощность размагничивающего резистора составляет 1% от номинальной мощности нагрузки высокочастотного преобразователя.
RC-цепочка также обеспечивает уменьшение коммутационных перенапряжений, возникающих при выключении МДП-транзистора, вызванных энергией, запасенной в индуктивности рассеяния, и уменьшает уровень радиопомех.
Введение в схему преобразователя гасящего резистора 8 и p-n-p транзистора 12 и указанного их подключения позволило применить в схеме отечественный МДП-транзистор 2П829А, обеспечить его «быстрое» выключение и, следовательно, уменьшить рассеиваемую на нем мощность. Время включения МДП-транзистора типа 2П829А не превышает 75 нc.
Таким образом, предложенная схема позволила использовать отечественную элементную базу, т.е. отказаться от импортных элементов, у которых отсутствуют сведения «о наработке на отказ» и внешних воздействующих факторах, тем самым, расширить область применения и повысить надежность высокочастотного преобразователя.
Согласно предлагаемому решению на отечественной элементной базе были изготовлены высокочастотные преобразователи с входным напряжением 500 В (380 В), выходным напряжением 27-28 В, мощностью 150 Вт и частотой преобразования энергии 100 кГц, которые используются для электропитания емкостных накопителей с импульсной нагрузкой.
Источники информации:
1. Кириенко В.П., Стрелков В.Ф. Высокочастотный преобразователь. Патент на полезную модель №47146, Бюл., 2005, №21.
2. Кириенко В.П., Стрелков В.Ф. Электромагнитная совместимость ИВЭП / Сборник докладов девятой Российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости - электромагнитной безопасности, ЭМС-2006, Санкт-Петербург, 2006, стр.261-283.
3. Кириенко В.П., Стрелков В.Ф. Снижение радиопомех ИВЭП / Сборник докладов десятой Российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости - электромагнитной безопасности, ЭМС-2008, Санкт-Петербург, 2008, стр.315-320.