ИМПУЛЬСНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в устройствах питания электронной аппаратуры.
Импульсные стабилизаторы напряжения применяют для стабилизации выходного напряжения источника питания и имеют более высокий КПД по сравнению с линейными. Для уменьшения габаритов и массы стабилизаторов применяют метод увеличения частоты импульсов управления. Стабилизаторы могут быть повышающими и понижающими.
Известна схема импульсного стабилизатора [1] (Хоровиц, Хилл Искусство схемотехники), и импульсный стабилизатор [2] (Патент №RU 2282233) которая содержит устройство управления, силовой транзисторный ключ, дроссель, конденсатор, диод и нагрузку. Данные схемы хорошо себя зарекомендовали для использования при относительно низких питающих напряжениях, обычно, до 100 Вольт. Существуют задачи, которые требуют стабилизированного постоянного напряжения 200 и более Вольт. При столь высоких напряжениях и высокой скорости переключения силового транзистора проявляются недостатки таких схем.
Существенным недостатком таких схем является наличие импульса обратного тока при восстановлении диода, протекающего через диод и силовой транзистор в момент, когда транзистор начинает открываться. В этот момент напряжение на транзисторе еще велико, а амплитуда импульса обратного тока может превышать рабочий ток силового транзисторного ключа в несколько раз при характерной длительности 30-100 нс. При высоком питающем напряжении и большой скорости переключения силового транзистора влиянием обратного тока при восстановлении диода уже нельзя пренебречь.
Наиболее близкой к предлагаемой схеме по техническим признакам является» «Импульсный стабилизатор постоянного напряжения», авторское свидетельство №559231 (СССР), 1977 [3].
Данный стабилизатор содержит регулирующий транзистор, входом подключенный к управляющему блоку и соединенный последовательно с LC-фильтром, который шунтирован первым диодом со стороны регулирующего транзистора и дополнительный дроссель, шунтированный вторым диодом, включенным в том же направлении, что и первый диод.
Недостатком указанной схемы является существенное снижение ее эффективности при высоком питающем напряжении и большой скорости переключения силового транзистора. Это снижение эффективности обусловлено наличием собственной емкости у второго диода, достаточной, чтобы амплитуда импульса тока через силовой транзистор в момент включения стала близка к амплитуде импульса тока при обратном восстановлении первого диода без включения в схему дополнительного дросселя и второго диода.
Задача изобретения - повышение надежности устройства за счет снижения потерь на силовом транзисторе и сохранения траектории его переключения в области безопасной работы без необходимости выбора транзистора с неоправданно большим запасом по максимально допустимому напряжению и току.
Поставленная задача решена за счет того, что в импульсном стабилизаторе напряжения, содержащем регулирующий транзистор, входом подключенный к управляющему блоку и соединенный последовательно с LC-фильтром, который шунтирован первым диодом со стороны регулирующего транзистора, и дополнительным дросселем, шунтированным вторым диодом, который включен последовательно в цепь первого диода, причем второй диод включен в том же направлении, что и первый диод, последовательно со вторым диодом дополнительно включен резистор, шунтированный конденсатором.
Заявляемый стабилизатор представлен на рис 1, где регулирующий транзистор 1, входом подключенный к управляющему блоку 2 и соединенный последовательно с LC-фильтром 3 и 4 (3 - дроссель, 4 - конденсатор), который шунтирован первым диодом 5 со стороны регулирующего транзистора 1, дополнительный дроссель 6, шунтированный цепочкой из второго диода 7, резистора 8, дополнительного конденсатора 9, и нагрузка 10.
Предлагаемое устройство работает следующим образом:
На схему импульсного стабилизатора подается питающее напряжение.
Управляющий блок 2 контролирует выходное напряжение и выдает импульсы на силовой транзисторный ключ 1 таким образом, чтобы выходное напряжение находилось в пределах заданной величины.
После подачи питания на схему, управляющий блок 2 открывает транзистор 1 и протекающий ток через него и дроссель 3 способствует накоплению энергии в магнитном поле дросселя. Конденсатор 4 заряжается до заданного напряжения. После того как напряжение на конденсаторе 4 достигнет заданного, управляющий блок 2 закроет транзистор 1. При этом в дросселе 3 наводится ЭДС самоиндукции, которая будет стремиться поддержать ток в том же направлении и той же силы. Вследствие этого полярность напряжения на первом диоде 5 поменяется на противоположную, при этом первый диод 5 откроется. Отрицательное напряжение окажется приложенным к катоду второго диода 7 и верхнему выводу дополнительного дросселя 6. Под действием этого напряжения второй диод 7 откроется, и основной ток потечет через дополнительный конденсатор 9, заряжая его до некоторого отрицательного напряжения -U. В это время ток в дополнительном дросселе 6 будет нарастать до величины, обеспечивающей его насыщение. Дополнительный дроссель 6 достигнет насыщения, напряжение на нем упадет, при этом второй диод 7 закроется и элементы 6, 7, 8 и 9 не будут оказывать заметного влияния на ток нагрузки до тех пор, пока не начнет открываться транзистор 1. Дополнительный конденсатор 9 в это время медленно разряжается через резистор 8.
В следующем такте блок управления 2 открывает транзистор 1. В этот момент времени первый диод 5 еще открыт и через ключевой транзистор 1 начинает протекать как ток дросселя 3, так и ток восстановления первого диода 5. Дополнительный дроссель 6 сдвигает пик тока восстановления первого диода 5 на время, достаточное для открывания транзистора 1, и уменьшает его по амплитуде. Эффективное подавление броска тока восстановления первого диода 5 при больших скоростях включения транзистора 1 становится возможным благодаря тому, что напряжение на дополнительном конденсаторе 9 остается близким к -U и приложено ко второму диоду 7 в обратном направлении, что уменьшает его емкость, в результате чего обратно смещенный второй диод 7 не оказывает заметного шунтирующего действия на дополнительный дроссель 6. Кроме того, после запирания первого диода 5, напряжение -U оказывается приложенным к дополнительному дросселю 6 и он быстро перемагничивается, не накладывая дополнительных временных ограничений на скважность работы транзистора 1.
В конкретном приложении выбором дополнительного конденсатора 9 и резистора 8 задается оптимальная величина -U, чтобы с одной стороны - обеспечить достаточное обратное смещение второго диода 7 для уменьшения его емкости, с другой - исключить перенапряжения в схеме. В то же время, достаточная величина -U необходима, чтобы обеспечить быструю разрядку дополнительного дросселя 6 с целью не ограничивать максимальный рабочий цикл стабилизатора.
Величину дополнительного дросселя 6 выбирают минимальной, но достаточной для того, чтобы пик броска тока при восстановлении первого диода 5 приходился на тот момент, когда транзистор 1 уже замкнется и напряжение на нем упадет до нуля (или до приемлемой величины).
Источники информации:
1. Хоровиц П, Хилл У. Искусство схемотехники. «Мир», 1983, т.1 с.345 и 351
2. Импульсный стабилизатор. Патент №RU 2282233 С1. 2005 г.
3. «Импульсный стабилизатор постоянного напряжения», авторское свидетельство №559231 (СССР), 1977