ОДНОТАКТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ
SINGLE-CYCLE VOLTAGE CONVERTER

Предлагаемое устройство относится к силовой преобразовательной технике и является устройством, реализующим энергетически-эффективный импульсный способ регулирования мощности, передаваемой в нагрузку.
Однотактный преобразователь напряжения, рассматриваемый как прототип (патент РФ №2617716), содержит основной силовой управляемый ключ (основной силовой транзистор), трансформатор с первичной и вторичной обмотками, выпрямитель тока вторичной обмотки и выходной фильтр, а также дроссель, первый и второй диоды и конденсатор.
Существенные признаки предлагаемого устройства, совпадающие с аналогичными признаками прототипа, состоят в том, что:
Первичная обмотка трансформатора и выходная цепь основного силового транзистора образуют первую последовательную цепь, включенную между шиной питания устройства и его нулевой шиной, и один вывод выходной цепи силового транзистора соединен с нулевой шиной.
Вторичная обмотка трансформатора через выпрямитель тока этой обмотки подключена к выходному фильтру.
Обмотка дросселя и первый диод включены последовательно и образуют вторую последовательную цепь. Ее первый вывод соединен с нулевой шиной устройства, а второй вывод через второй диод подключен к шине питания устройства.
Ко второму выводу второй последовательной цепи, кроме того, подключен первый вывод упомянутого конденсатора.
Существенные отличительные признаки предлагаемого устройства, состоят в том, что:
В устройство введены дополнительный диод и дополнительный силовой транзистор. Они соединены последовательно и образуют третью последовательную цепь.
Третья последовательная цепь включена параллельно выходной цепи основного силового транзистора. При этом выходная цепь дополнительного силового транзистора, как и выходная цепь основного силового транзистора, подключена одним выводом к нулевой шине.
Второй вывод упомянутого конденсатора непосредственно соединен с общей точкой дополнительного диода и выходной цепи дополнительного силового транзистора.
Во втором варианте предлагаемого устройства в трансформатор введена дополнительная обмотка. Она соединена последовательно с обмоткой дросселя и вторым диодом, т.е. дополняет вторую последовательную цепь.
Целью предложения, содержащегося в данной заявке, является повышение энергетической эффективности и надежности устройства. Поставленная цель достигается в результате взаимодействия известных и отличительных признаков предлагаемого устройства, принцип действия которого рассматривается ниже.
Электрические схемы первого и второго вариантов предлагаемого устройства представлены соответственно на фиг. 1 и фиг. 2.
В схеме на фиг. 1 между шиной питания 1 устройства и его нулевой шиной 2 включен источник энергии 3 в виде источника напряжения. К шинам 1 и 2, кроме того, подключена первая последовательная цепь. Она образована первичной обмоткой 4 трансформатора 5 и выходной цепью основного силового транзистора 6, которые соединены последовательно друг с другом. Один вывод выходной цепи основного силового транзистора 6 соединен с нулевой шиной 2.
Вторичная обмотка 7 трансформатора 5 через выпрямитель 8 подключена к конденсатору 9 выходного фильтра. Параллельно этому конденсатору включена нагрузка 10.
Обмотка дросселя 11 и первый диод 12 соединены последовательно и образуют вторую последовательную цепь. Ее первый вывод соединен с нулевой шиной питания 2, а второй вывод этой цепи через второй диод 13 подключен к шине питания 1 устройства.
Ко второму выводу второй последовательной цепи, кроме того, подключен первый вывод конденсатора 14.
Параллельно выходной цепи основного силового транзистора 6 включены дополнительный диод 15 и выходная цепь дополнительного силового транзистора 16, которые соединены последовательно и образуют третью последовательную цепь. При этом один вывод выходной цепи дополнительного транзистора 16 соединен с нулевой шиной 2.
Второй вывод конденсатора 14 непосредственно соединен с общей точкой дополнительного диода 15 и первым выводом выходной цепи дополнительного силового транзистора 16. Второй вывод выходной цепи этого транзистора подключен к нулевой шине 2.
Во второй схеме на фиг. 2 трансформатор 5 дополнен вторичной обмоткой 17. Она включена во вторую последовательную цепь и соединена последовательно с обмоткой дросселя 11.
Цели технического решения, предлагаемого в данной заявке, достигаются, благодаря взаимодействию существенных известных и отличительных признаков предлагаемого устройства. Принцип действия схемы рассматривается ниже.
В стационарном режиме работы однотактного преобразователя конденсатор выходного фильтра 9 заряжен до номинального уровня напряжения на нагрузке 10. На интервалах запертого состояния силового транзистора 6 это напряжение трансформируется в первичную обмотку 4.
В момент запирания основного силового транзистора 6 из-за наличия индуктивности рассеяния между обмотками трансформатора 5, на первичной обмотке 4 возникает выброс напряжения. Он превышает установившееся значение этого напряжения, которое существует на обмотке на интервале запертого состояния основного силового транзистора 6.
Конденсатор 14 через дополнительный диод 15 заряжается до амплитудного значения напряжения на первичной обмотке 4. Полярность этого напряжения на конденсаторе: плюс на выводе конденсатора 14, подключенного через дополнительный диод 15 к первому выводу выходной цепи дополнительного силового транзистора 16, и - минус на выводе конденсатора 14, подключенного через второй диод 13 к шине 1 питания устройства. Второй вывод выходной цепи дополнительного силового транзистора 16 соединен с нулевой шиной 2.
Первым сигналом управления периодически отпирается основной силовой транзистор 6. Через незначительный промежуток времени процесса отпирания этого транзистора напряжение на его выходной цепи снижается практически до нуля. При этом к первичной обмотке 4 силового трансформатора 5 прикладывается напряжение питания. Трансформатор переходит к интервалу накопления магнитной энергии, во время которого запирается диод 8 выпрямителя, подключенный к вторичной обмотке 7.
Вторым сигналом управления, который синхронизирован с первым сигналом, отпирается дополнительный силовой транзистор 16. Рационально второй сигнал управления задерживать относительно первого сигнала на время перехода первого силового транзистора 6 в проводящее состояние.
После отпирания дополнительного силового транзистора 16 конденсатор 14, ранее заряженный, разряжается через выходную цепь этого транзистора, обмотку дросселя 11 и первый диод 12. Процесс разряда имеет колебательный характер. Во время этого процесса, ток обмотки дросселя, замыкающийся через выходную цепь дополнительного силового транзистора 16, изменяется по синусоидальному закону. Этот ток нарастает плавно от нулевого значения, и также плавно снижается до нуля через интервал времени, равный половине периода колебательного процесса. Из-за такого характера изменения тока выходной цепи дополнительного силового транзистора 16 в нем практически отсутствуют коммутационные потери.
Напряжение на конденсаторе 14 изменяется по закону косинусоиды. В конце этого процесса конденсатор 14 оказывается вновь заряженным до того же уровня, какой имел место на интервале запертого состояния дополнительного силового транзистора 16. Однако полярность напряжения на конденсаторе 14 - обратная. А именно: минус на выводе конденсатора, подключенного к точке соединения вывода дополнительного диода 15 и выходной цепи дополнительного силового транзистора 16, и плюс - на выводе этого конденсатора, подключенного ко второму выводу второй последовательной цепи (т.е. к точке соединения диодов 12 и 13 в схеме на фиг. 1).
Длительность указанного выше колебательного процесса целесообразно устанавливать меньше минимальной длительности проводящего состояния основного силового транзистора 6, которое изменяется в процессе регулирования выходной мощности преобразователя. Это необходимо для того, чтобы конденсатор 16 успел полностью перезарядиться к моменту начала запирания основного силового транзистора 6.
Длительность второго управляющего сигнала рационально устанавливать чуть больше половины периода колебательного процесса. В этом случае дополнительный силовой транзистор 16 запирается сразу по завершении этого процесса. В непроводящем состоянии он будет находиться на интервале, когда основной силовой транзистор 6 будет пребывать в состоянии проводимости.
Если значение напряжения на конденсаторе 14 в начале процесса запирания транзистора 6 меньше напряжения питания, то разность потенциалов между выводами его выходной цепи скачкообразно нарастает до уровня, который равен разности между питающим напряжением и указанным начальным значением напряжения на конденсаторе 14. После момента скачкообразного нарастания напряжения на транзисторе 6 оно начинает нарастать плавно вследствие перезаряда конденсатора 14 током первичной обмотки 4.
В предлагаемой схеме уровень напряжения в момент скачкообразного его нарастания на выходной цепи основного силового транзистора 4 меньше, чем в исходной схеме. Это связано с тем, что в предлагаемой схеме конденсатор 14 заряжается до амплитуды напряжения на первичной обмотке 4 трансформатора 5, а в исходной схеме - до установившегося значения, которое меньше амплитудного.
Таким образом, применение описанного технического решения позволяет снизить начальный скачок напряжения на силовом транзисторе 6 при его запирании. Путем выбора соответствующего значения емкости конденсатора 14 создаются условия для плавного нарастания этого напряжения до уровня, который меньше напряжения пробоя выходной цепи основного силового транзистора 6. Тем самым снижается уровень коммутационных потерь энергии в этом транзисторе при его запирании и повышается надежность работы прибора. Это приводит к повышению надежности работы преобразователя напряжения в целом и увеличению энергетической эффективности процесса преобразования энергии.
В схеме на фиг. 2 дополнительная вторичная обмотка 17 трансформатора 5 обеспечивает условия для того, чтобы в колебательном процессе перезаряда конденсатора 14 на интервале состояния высокой проводимости дополнительного силового транзистора 16 конечное значение напряжения на конденсаторе установилось бы на уровне напряжения питания. При этом отпирается второй диод 13, и излишек энергии, запасенной в дросселе 11, возвращается в источник питания 3.
Если коэффициент трансформации дополнительной обмотки 17 установить равным половине, то к моменту запирания дополнительного транзистора 16 конденсатор 14 окажется заряженным до уровня напряжения питания, причем это будет иметь место независимо от значения выходного напряжения однотактного преобразователя. В этом случае при запирании основного силового транзистора 6 начальный скачок напряжения на нем будет отсутствовать, и напряжение на приборе начнет плавно нарастать практически от нулевого уровня. Это дополнительно способствует снижению уровня коммутационных потерь при запирании.
Введение в схему дополнительных элементов и предложенное в заявке их соединение дает возможность оставить без увеличения потери мощности в основном силовом транзисторе 6 в состоянии его проводимости, что повышает надежность работы преобразователя. При этом дополнительные потери мощности, возникающие от протекания полуволны тока колебательного процесса, переносятся в дополнительный силовой транзистор 16.
Приведенное выше описание дано применительно к обратноходовому однотактному преобразователю напряжения. Однако предлагаемое техническое решение может быть использовано также и в прямоходовом однотактном преобразователе.