РЕГУЛИРУЕМЫЙ ПО НАПРЯЖЕНИЮ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

п
Полезная модель относится к области силовой преобразовательной техники и может быть использована при построении преобразователей постоянного напряжения типа DC/DC, то есть конверторов, с улучшенными энергетическими показателями (преимущественно при относительно низких значениях напряжения источника питания - примерно E=10÷100 В).
Типовая схема такого преобразователя включает в себя три основных силовых звена: высокочастотное инверторное звено с согласующим трансформатором, вырямительное звено и сглаживающий фильтр.
В одном из известных вариантов (см. рис.4.14. на с.146 в Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи. - М.: Энергоатомиздат, 1986) регулируемый по напряжению преобразователь содержит инверторное звено, выполненное по нулевой схеме в виде двух транзисторов, которые одними своими силовыми выводами подключены к концам первичной обмотки согласующего трансформатора, имеющей среднюю точку, подключенную к одной шине питания источника постоянного тока; другие силовые выводы транзисторов через вспомогательный элемент - первичную обмотку дросселя индуктивности, подключены к другой шине источника питания. Вторичная обмотка согласующего трансформатора подключена к выпрямительному звену, на выходе которого установлен сглаживающий фильтр. Ключевым звеном, определяющим энергетическую эффективность преобразователя является инверторное звено.
Недостатком такого решения является низкая энергетическая эффективнось, которая определяется двумя факторами: 1) однополярным перемагничиванием магнитопровода трансформатора, что выражается в ухудшенных его массогабаритных показателях; 2) отсутствием в решении эффективных средств борьбы с индуктивностями рассеяния первичной обмотки, что, означает или неработоспособность преобразователя, или же необходимость использования средств борьбы (в виде RCD цепочек) с этими паразитными индуктивностями (см. B.C.Моин, Н.Н.Лаптев. Стабилизированные транзисторные преобразователи. - М.: Энергия, 1972, стр.346), что приводит к заментным потерям, возрастающим с ростом рабочей частоты инверторного звена.
Наиболее близким по существу технического решения к полезной модели является регулируемый преобразователь постоянного напряжения, описанный в (Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи. - М.: Энергоатомиздат, 1986, с.148) и показанный на рис.4.15 а), в). Он также содержит три последовательно включенных звена: инверторное звено с трансформаторным выходом, выпрямительное звено и сглаживающий фильтр. Инверторное звено здесь также содержит два транзистора, которые совместно с двумя первичными обмотками согласующего трансформатора образуют наиболее экономичную (по потерям) нулевую схему инвертора. В зависимости от схемы выпрямления, согласующий трансформатор может содержать одну или две вторичные обмотки, которые подключают ко входу выпрямительного звена с фильтром на его выходе. Транзисторы управляются от блока управления, содержащего модулятор ширины импульсов, который обеспечивает регулирование выходного напряжения за счет изменения длительности включенного состояния транзисторов. Регулирование напряжения в преобразователе обеспечивается введением регулируемой паузы α между переключениями транзисторов.
Недостатком данного решения является необходимость в использовании средств борьбы с опасными для транзисторов импульсными перенапряжениями, создаваемыми индуктивностями рассеяния первичных обмоток трансформатора в моменты запирания транзисторов. Применение средства ограничения перенапряжений в виде RCD-цепочек (называемых также снабберами), подключаемых параллельно транзисторам, заметно увеличивает общие коммутационные потери, что приводит к снижению энергетической эффективности преобразователя
Технической задачей является улучшение энергетической эффективности преобразователя.
Технический результат обеспечивается за счет снижения потерь энергии при коммутации транзисторов и достигается тем, что известный регулируемый по напряжению преобразователь, содержащий последовательно соединенные двухтактный инвертор с согласующим трансформатором, выпрямитель и сглаживающий фильтр, причем двухтактный инвертор выполнен по нулевой схеме в виде согласно последовательно соединенных первичных обмоток согласующего трансформатора, точка соединения которых образует первый его силовой входной вывод для подключения к одной шине питания, конец каждой первичной обмотки подключен к одному силовому выводу одного из двух основных транзисторов, другие силовые выводы которых объединены и образуют второй силовой входной вывод для подключения его к другой шине питания, а также основной блок управления двумя основными транзисторами, включающий в себя модулятор ширины импульсов, снабжен узлом ограничения импульсных перенапряжений, который выполнен в виде разделительной цепочки из двух встречно последовательно соединенных разделительных диодов, включенной между разноименными по полярности концами двух первичных обмоток, накопительного конденсатора, одной обкладкой подключенного к точке соединения первичных обмоток трансформатора, а второй - к точке соединения разделительных диодов, и разрядной цепочки из последовательно включенных разрядного транзистора и разрядного элемента, которая подключена параллельно обкладкам накопительного конденсатора, а также дополнительным блоком управления разрядным транзистором, выполненным в виде узла задания опорного сигнала и компаратора с гистерезисной характеристикой с тремя входами - измерительным, опорным, и входом настройки уровня гистерезиса, причем опорный вход подключен к выходу узла задания опорного сигнала, а измерительный вход компаратора подключен к обкладкам накопительного конденсатора.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная электрическая схема преобразователя.
Регулируемый по напряжению преобразователь содержит силовую часть двухтактного инвертора по нулевой схеме 1, выполненную в виде согласующего трансформатора 2 с двумя одинаковыми первичными обмотками 3, 4 и одинаковыми вторичными обмотками 5, 6, и двух основных транзисторов 7, 8. Обратные диоды 9, 10 в данном решении не являются принципиально необходимыми. Точка соединения одних разноименных по полярности первичных обмоток 3, 4 подключена к одной шине питания 11, а другие разноименные по полярности концы этих обмоток соответственно через транзисторы 7 и 8 подключены к другой шине питания 12. В качестве узла ограничения импульсных перенапряжений, защищающего транзисторы 7, 8 от импульсных перенапряжений (которые обусловлены индуктивностями рассеяния первичных обмоток 3, 4) установлена цепочка из встречно последовательно включенных разделительных диодов 13, 14, включенная между разноименными концами первичных обмоток 3, 4, и накопительный конденсатор 15, включенный между точкой соединения первичных обмоток 3, 4 и точкой соединения разделительных диодов 13, 14. Узел ограничения импульсных перенапряжений содержит также разрядный транзистор 16, который через последовательно включенный с ним разрядный элемент 17 подключен параллельно обкладкам накопительного конденсатора 15.
Силовая часть преобразователя содержит также выпрямительную часть 18 на диодах 19, 20, которые вместе с вторичными обмотками 5, 6 согласующего трансформатора 2 образуют нулевую схему выпрямления. На выходе выпрямителя установлен сглаживающий Г-образный LC фильтр 21 в виде дросселя индуктивности 22 и конденсатора 23. Обкладки конденсатора фильтра 23 образуют выходные выводы преобразователя для подключения к нему нагрузки 24.
Управление основными транзисторами 7, 8 и разрядным транзистором 16 обеспечивается отдельными блоками. Основной блок управления 25, управляющий транзисторами 7, 8, реализует функцию модулятора ширины импульсов и выполнен по традиционной схеме - в виде таймера 26, генератора пилообразного напряжения 27, компаратора 28 и распределителя импульсов 29. Дополнительный блок управления 30 выполняется также по известной схеме компаратора с гистерезисом 31 и содержит три входа - опорный, измерительный входы и вход настройки зоны гистерезиса. Опорный вход подключают к выходу узла задания опорного сигнала 32 с элементом регулирования его уровня 33, измерительный - к обкладкам накопительного конденсатора 15, а вход настройки зоны гистерезиса - к элементу регулирования его уровня 34.
Регулируемый по напряжению преобразователь работает следующим образом.
min
Основным условием правильной (в соответствии с проектным замыслом) работы узла ограничения импульсных перенапряжений является наличие между интервалами включенного состояния транзисторов 7, 8 паузы α, длительность которой должна быть достаточной для сброса в разрядный элемент 17 с помощью разрядного транзистора 16 избыточной энергии, накапливаемой в накопительном конденсаторе 15.
Транзисторы 7, 8, 16 на чертеже показаны условно как IGBT. Реально при низких уровнях напряжения питания целесообразно использовать полевые трпнзисторы (MOSFET).
VT7
S
k
VT7
C
изм
оп
Работу регулируемого конвертора рассмотрим с момента времени, когда транзистор 7 закрывается. Протекавший через него ток i(t) прерывается, что вызывает наведение в индуктивности рассеяния L обмотки 3 ЭДС самоиндкции с полярностью, поддерживающей протекание этого тока через разделительный диод 13 и накопительный конденсатор 15. В результате энергия индуктивности рассеяния  передается в накопительный конденсатор 15 (где I - значение тока i(t) в момент коммутации транзистора 7). Процессы сброса энергии с индуктивностей рассеяния обмоток 3, 4 в конденсатор 15 происходят после каждой коммутации (запирания) транзисторов 7, 8, что приводит к постепенному росту на нем уровня напряжения U. Это напряжение подается на измерительный вход (U) компаратора с гистерезисом 31. При превышении этого напряжения заданного уровня опорного напряжения (U), обеспечиваемого задатчиком опорного напряжения 32:
изм
оп
U>U
компаратор 31 срабатывает, выдает сигнал на включение разрядного транзистора 16, и конденсатор 15 начинает разряжаться на разрядный элемент 17. После снижения напряжения на конденсаторе 15 до значения напряжения отпускания:
C
изм
отп
U=U<U
компаратор 31 перебрасывается в исходное состояние и выдает сигнал на запирание разрядного транзистора 16. Далее процессы накопления энергии в кондесаторе 15 и сброса ее избытка в разрядный элемент 17 будут периодически повторяться в автоматическом режиме.
отп
оп
Напряжение отпускания U связано с опорным напряжением U следующим образом:
отп
оп
г
U=U-ΔU,
г
где ΔU - уровень гистерезиса, который устанавливается изменением сопротивления соответствующего резистора в схеме компаратора 31 регулирующим элементом 34.
В зависимости от конкретного применения в качестве разрядного элемента 17 может использоваться либо резистор, либо простейший однотакный, например, обратноходовой конвертор, обеспечивающий возврат энергии коммутационных издержек в источник питания или же использование ее для иных целей.
Таким образом, технический результат, который достигается в полезной модели регулируемого по напряжению преобразователя, обеспечивается новой энергетически более эффективной структуно-алгоритмической организацией узла ограничения импульсных перенапряжений на транзисторах, благодаря которому (в том или ином виде) утилизируется только энергия индуктивностей рассеяния первичных обмоток согласующего трансформатора.
min
Наличие узла ограничения импульсных перенапряжений в инверторе по нулевой схеме (входящем в состав полезной модели), работающем не на выпрямительную нагрузку, а на нагрузку переменного тока, мало эффективно из-за невозможности обеспечения в этом случае нулевой паузы α между переключениями основных транзисторов.
Использование полезной модели позволяет улучшить энергетическую эффективность преобразователя за счет снижения потерь энергии при коммутации транзисторов.