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 обратноходовой источник питания [1], 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 первым резистором и первым конденсатором, а конец первичной обмотки соединен со стоком МДП-транзистора, исток которого подключен к второй входной клемме, сток МДП-транзистора через второй конденсатор, второй резистор, шунтированный вторым диодом, и через третий резистор соединен с его истоком, к затвору и истоку МДП-транзистора подключена схема управления, к концу первой вторичной обмотки импульсного трансформатора подключен анод третьего диода, катод которого соединен с положительной обкладкой конденсатора фильтра и первым выводом дросселя фильтра, второй вывод дросселя фильтра соединен с положительной обкладкой другого конденсатора фильтра и с первой выходной клеммой, начало вторичной обмотки импульсного трансформатора соединено с отрицательными обкладками конденсаторов фильтра и с второй выходной клеммой.
Недостатком обратноходового источника питания является его ограниченная область применения, низкий КПД, большие масса и габариты.
Из-за наличия индуктивности рассеяния и малой величины индуктивности намагничивания при выключении МДП-транзистора к нему прикладывается высокое напряжение, что накладывает ограничения на величину входного напряжения источника питания. Ограничивает область применения обратноходового источника питания необходимость его работы на емкостной накопитель с импульсной нагрузкой. Даже при незначительной длительности импульса первичной обмотки импульсного трансформатора, до следующего импульса трансформатор не успевает размагнититься, происходит его насыщение, протекают большие токи, и МДП-транзистор выходит из строя. Для устранения этого явления необходимо уменьшение частоты следования импульсов тока первичной обмотки трансформатора при пуске, что вызывает значительное усложнение схемы управления за счет введения в нее новых элементов и приводит к увеличению габаритов и массы преобразователя.
Для устранения перенапряжений, возникающих при выключении МДП-транзистора, необходима установка двух защитных RCD - цепей, одна из которых шунтирует первичную обмотку импульсного трансформатора, другая - МДП-транзистор. При работе на высоких частотах на резисторах RCD - цепей рассеивается значительная мощность, что снижает КПД источника, а снижение частоты требует увеличения массы и габаритов импульсного трансформатора и выходного фильтра.
Высокий уровень пульсаций выходного напряжения обратноходового источника требует применения многозвенного фильтра, что также приводит к увеличению его габаритов и массы.
Наиболее близким по техническому решению является однотактный прямоходовой преобразователь [2], состоящий из схемы управления и силовой цепи, включающей в себя МДП - транзистор и импульсный трансформатор с магнитопроводом из феррита, на магнитопроводе импульсного трансформатора располагается первичная, рекуперирующая и вторичная обмотки, начало первичной обмотки которого подключено к первой входной клемме, первичная обмотка импульсного трансформатора через первый диод шунтирована параллельно включенными первым резистором и первым конденсатором, а конец первичной обмотки соединен со стоком МДП-транзистора, исток которого подключен к второй входной клемме, переход сток - исток МДП-транзистора шунтирован последовательно включенными вторым резистором и вторым конденсатором, к затвору и истоку МДП-транзистора подключена схема управления, к началу первой 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 первой выходной клеммой, отрицательная обкладка конденсатора фильтра соединена со второй выходной клеммой и с концом первой вторичной обмоткой импульсного трансформатора, начало второй вторичной обмотки которого соединен с истоком МДП - транзистора, а конец - с анодом четвертого диода, катод которого соединен с началом первичной обмотки импульсного трансформатора.
Недостатками схемы прототипа являются его ограниченная область применения, большие масса и габариты и низкий КПД.
При выключении МДП-транзистора к нему прикладывается двойное входное напряжение плюс перенапряжение, величина которого зависит от индуктивности рассеяния приведенной к первичной обмотке, что ограничивает область применения преобразователя.
В настоящее время, наиболее широко используются МДП-транзисторы с напряжением сток - исток 1200 В. При входном напряжении 300 В, к транзистору прикладывается напряжение, примерно 700 В, кроме того, необходим практически двойной запас по напряжению от нестационарных процессов, возникающих в первичной сети. К диоду, подключенному к рекуперирующей обмотке, приложено более чем удвоенное входное напряжение. При входном напряжении преобразователя 300 В, учитывая нестационарные процессы в сети, требуется высокочастотный диод с обратным напряжением не менее чем 1200 В. При увеличении входного напряжения, напряжение, приложенное к МДП-транзистору и диоду рекуперирующей обмотки, возрастает пропорционально, что нежелательно.
Первичная и рекуперирующая обмотки являются высокопотенциальными, поэтому между обмотками располагается значительный слой изоляции, что вызывает увеличение и индуктивности рассеяния. Для рекуперации энергии, запасенной в индуктивности намагничивания, рекуперирующая обмотка трансформатора выполнена с числом витков, равным числу первичной обмотки.
В качестве сердечника магнитопровода трансформатора используется феррит, имеющий сравнительно небольшую величину магнитной проницаемости. Это значительно уменьшает индуктивность намагничивания трансформатора и, следовательно, увеличивает
энергию, запасенную в этой индуктивности, что требует наличия рекуперирующей обмотки трансформатора.
На МДП-транзисторе возникает значительное перенапряжение при его выключении, вызванное большой энергией, запасенной в индуктивности рассеяния обмоток импульсного трансформатора. Для устранения этих перенапряжений, необходима установка двух защитных цепей, первая RCD - цепь шунтирует первичную обмотку импульсного трансформатора, вторая RC - цепь шунтирует МДП-транзистор.
Согласно вышеперечисленному, прототип имеет большие массу и габариты импульсного трансформатора и выходного фильтра преобразователя.
При работе преобразователя на высоких частотах на резисторах защитных цепей рассеивается значительная мощность, что снижает КПД преобразователя.
Техническим результатом полезной модели является расширение области применения, уменьшение массогабаритных показателей, повышение КПД.
Технический результат достигается тем, что в однотактный 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, первичная обмотка импульсного трансформатора через первый диод шунтирована параллельно включенными резистором и конденсатором, а конец первичной обмотки соединен со стоком МДП - транзистора, исток которого подключен к второй входной клемме, схема управления подключена к затвору и истоку МДП-транзистора, к началу второй 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, введен стабилитрон, анод которого соединен с началом первичной обмотки импульсного трансформатора, а катод - с катодом первого диода, также введен дополнительный отвод вторичной обмотки импульсного трансформатора, который соединен с отрицательной обкладкой конденсатора фильтра, а конец вторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с анодом третьего диода, кроме того, магнитопровод импульсного трансформатора выполнен из аморфного сплава.
На фиг.1 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, 8 - диоды;
9 - стабилитрон;
10 - резистор;
11 - конденсатор;
12 - дроссель фильтра;
13 - конденсатор фильтра;
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 которого подключено к входной клемме 14, первичная обмотка 3 импульсного трансформатора 2 через диод 6 шунтирована параллельно включенными стабилитроном 9, резистором 10, конденсатором 11, а конец первичной обмотки 3 соединен со стоком МДП-транзистора 5, исток которого подключен к входной клемме 15, схема управления 1 подключена к затвору и истоку МДП-транзистора 5, к началу вторичной обмотки 4 импульсного трансформатора 2 подключен анод диода 7, катод которого соединен с катодом диода 8 и первым выводом дросселя 12 фильтра, второй вывод дросселя 12 фильтра соединен с положительной обкладкой конденсатора 13 фильтра и с выходной клеммой 16, отрицательная обкладка конденсатора 13 фильтра соединена с выходной клеммой 17 и с дополнительным выводом вторичной обмотки 4 импульсного трансформатора 2, конец вторичной обмотки 4 соединен с анодом диода 8.
Схема высокочастотного преобразователя охвачена обратной связью по напряжению и по току (на фиг.1 не обозначено).
Обратная связь по напряжению обеспечивается тем, что на схему управления 1 подается напряжение с выходных клемм 16, 17.
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 (Uвх.) и подаче положительного импульса со схемы управления 1 на затвор МДП-транзистора 5, он открывается. Начинает протекать ток по цепи: клемма 14, первичная обмотка 3 импульсного трансформатора 2, сток - исток МДП-транзистора 5, клемма 15. К первичной обмотке 3 импульсного трансформатора 2 прикладывается напряжение, которое трансформируется во вторичную обмотку 4, начинает протекать ток по цепи: начало вторичной обмотки 4, диод 7, дроссель 12, клемма 16, нагрузка, клемма17, дополнительный вывод вторичной обмотки 4.
При окончании импульса, подаваемого на затвор МДП-транзистора, он закрывается.
Ток, вызванный энергией, запасенной в индуктивности рассеяния и индуктивности намагничивания, протекает по цепи: конец первичной обмотки 3, импульсного трансформатора 2, диод 6, параллельно включенные стабилизатор 9, резистор 10, конденсатор 11, начало первичной обмотки 3.
При выключении МДП-транзистора 5 закрывается диод 7. Однако, ток через нагрузку не прекращается, он поддерживается за счет энергии, запасенной в дросселе 12 фильтра, и протекает по цепи: дроссель 12, клемма 16, нагрузка, клемма 17, дополнительный отвод вторичной обмотки 4, конец вторичной обмотки 4, диод 8. Конденсатор 13 обеспечивает требуемые пульсации напряжения на нагрузке (Uвых.).
Цепь обратной связи по напряжению обеспечивает стабильность выходного напряжения в заданных пределах при изменении входного напряжения, и тока нагрузки, используя широтно-импульсную модуляцию тока первичной обмотки 3 трансформатора 2.
Цепь обратной связи по току, ограничивает ток дросселя 12 фильтра при пуске, а также ограничивает ток нагрузки при перегрузке и коротком замыкании.
В предлагаемой схеме напряжение, приложенное к МДП-транзистору 5, после его выключения складывается из напряжения на входе преобразователя и напряжения стабилизации стабилитрона 9. При увеличении напряжения на входе преобразователя стабилитрон 9 ограничивает перенапряжение, прикладываемое к МДП-транзистору 5. Происходит только увеличение промежутка времени, в течение которого перенапряжение прикладывается к МДП-транзистору 5, коммутационных перенапряжений, вызываемых индуктивностью рассеяния, здесь не наблюдается, поэтому при увеличении входного напряжения, напряжение, приложенное к МДП-транзистору 5, возрастает в меньшей степени, чем в схеме прототипа.
Таким образом, изменение в схеме позволило расширить область применения, улучшить массогабаритные показатели высокочастотного преобразователя и увеличить КПД преобразователя.
От воздействия нестационарных процессов в первичной сети, схема обладает практически двукратным запасом по напряжению и может быть использована при входном постоянном напряжении 500 В или напряжении по первичной сети, равном 380 В, т.е. схема обладает более широкой областью применения, чем схема прототипа. Например, при скважности импульсов первичной обмотки 3 трансформатора 2 равной 0,33 и при подаче на вход преобразователя напряжения 500 В необходимо установить стабилитрон 9 с напряжением стабилизации 300 В, таким образом, напряжение, приложенное к МДП-транзистору при его выключении, составит 800 В. При допустимом напряжении перехода
сток - исток МДП-транзистора, равном 1200 В, входное напряжение может изменяться от 500 до 900 В.
В трансформаторах с магнитопроводами из аморфных сплавов, вследствие их большой магнитной проницаемости, уменьшается индуктивность рассеяния и увеличивается индуктивность намагничивания. В связи с этим, для уменьшения коммутационных перенапряжений, возникающих при выключении МДП-транзистора, вызванных энергией, запасенной в индуктивности рассеяния, достаточно установить сравнительно простую RCD-цепочку, шунтирующую первичную обмотку трансформатора. Для обеспечения размагничивания трансформатора, т.е. для удаления энергии, запасенной в индуктивности намагничивания, достаточно установить стабилитрон, шунтирующий резистор и конденсатор в RCD-цепи, - все это уменьшает массу и габариты преобразователя.
Аморфный сплав имеет высокую крутизну кривой намагничивания, введение отвода во вторичной обмотке импульсного трансформатора, обеспечивает его работу на линейном участке кривой намагничивания. От отвода до конца вторичной обмотки достаточно установить 1-2 витка.
Согласно предлагаемому решению были изготовлены высокочастотные преобразователи с входным напряжением 300-500 В (220/380 В), выходным напряжением 27-28 В, мощностью 100-200 Вт и частотой преобразования энергии 100 кГц, которые используются для электропитания емкостных накопителей с импульсной нагрузкой.
По сравнению с прототипом массогабаритные показатели высокочастотного преобразователя уменьшились в 2 раза: с 3 до 1,5 кг.
Источники информации:
1. Интегральные микросхемы. Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. ШИМ-контроллеры с обратной связью по току, рис.31, стр.113. Издание второе, ДОДЭКА 2000 г.
2. Научно-технический журнал «Электрическое питание» №1 2003 г., Построение импульсных DC - DC преобразователей (первый класс) автор Гончаров А.Ю. стр.14, рис.1.