ТРАНСФОРМАТОР ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
DC VOLTAGE TRANSFORMER

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в качестве преобразователя постоянного напряжения в постоянное для систем вторичного электропитания.
Известны трансформаторы постоянного напряжения (ТПН), предназначенные для преобразования постоянного напряжения первичной сети в постоянное напряжение одного либо нескольких источников вторичной сети [1]. ТПН обеспечивает гальваническую развязку и трансформаторное согласование первичного и вторичных напряжений.
Основой реализации ТПН является инвертор, преобразующий первичное постоянное напряжение в переменное напряжение, которое трансформируется до необходимых значений и выпрямляется, образуя источники с заданными вторичными напряжениями.
В известных ТПН могут использоваться инверторы с внешним возбуждением, выполненные по двухтактным [2] либо полумостовым [3] схемам транзисторных ключевых усилителей мощностей (КУМ).
Использование ключевого режима работы и высокой частоты переключений (десятки и сотни кГц) транзисторов КУМ позволяет повысить КПД преобразования и заметно снизить массу и габариты известных ТПН по сравнению с силовыми трансформаторами промышленной частоты (50 Гц). Внешнее управление транзисторов КУМ, выполненных по известным схемам [2, 3], осуществляется от задающего генератора противофазными сигналами типа меандр. В результате на первичных и вторичных обмотках трансформатора формируется симметричное импульсное напряжение, что обеспечивает формирование вторичных напряжений при минимальных габаритах выходных фильтров.
Достоинствами известных ТПН являются стабильные нагрузочные характеристики в условиях изменения выходного тока в широких пределах.
Вместе с тем выделенное преимущество связано с потерей устойчивости работы в пусковых режимах при работе на емкостной фильтр, а также при токовой перегрузке и коротком замыкании нагрузки. Другим недостатком известных устройств является повышенный уровень высокочастотных (ВЧ) помех, связанных с импульсным формированием фронтов выходного напряжения и прерыванием контуров протекания тока. В элементах КУМ при типовой мощности от 100 до 1000 Вт, нагруженных непосредственно на выходной трансформатор, наблюдается изменение потенциалов со скоростью более 1000 В/мкс при изменении тока более чем на 100 А/мкс. Такие импульсные процессы приводят к кондуктивным и индуктивным ВЧ помехам, проникающим в шины вторичных напряжений, что ухудшает характеристики качества выходных напряжений известных ТПН и препятствует их применению в функциональной аппаратуре с повышенными требованиями электромагнитной совместимости (ЭМС).
Техническим решением, наиболее близким к предлагаемому решению по совокупности существенных признаков, является ТПН, описанный в патенте РФ №2267218 [4]. В ТПН-прототипе устранены недостатки известных устройств посредством введения резонансной цепи, содержащей дроссель, включенный на выходе КУМ, и конденсатор, соединенный параллельно первичной обмотке трансформатора. Тем самым в ТПН реализуется инвертор резонансного типа, чем обеспечиваются улучшенные характеристики ЭМС и устойчивость работы в режиме токовой перегрузки и короткого замыкания. В состав известного устройства входят ключевой усилитель мощности, шины питания которого соединены с шинами первичного напряжения, задающий генератор, соединенный прямым и инверсным выходами с первым и вторым входами ключевого усилителя мощности, выходы которого подключены к последовательно соединенным дросселю и конденсатору, причем параллельно конденсатору подключена первичная обмотка трансформатора, вторичная обмотка которого через выпрямитель и выходной фильтр соединена с шинами вторичного напряжения, при этом первый и второй диоды подключены обратной проводимостью последовательно между шинами первичного напряжения, а средняя точка соединения диодов подключена к точке соединения дросселя и конденсатора [4]. Структурная схема устройства-прототипа представлена на фиг. 1, а на Фиг. 2 приведены временные диаграммы.
ТПН-прототип (фиг. 1) содержит задающий генератор. 1, ключевой усилитель 2 мощности, дроссель 3, конденсатор 4, трансформатор 5, выпрямитель 6, выходной фильтр 7, первый и второй рекуперативные диоды 8, 9.
Преимуществом схемы, реализованной в ТПН-прототипе, является использование рекуперативных диодов 8, 9 в совокупности с дросселем 3 и конденсатором 4 для повышения устойчивости работы преобразователя при изменении параметров нагрузки в широких пределах в условиях реализации «мягких» траекторий переключения тока и напряжения.
Работа ТПН-прототипа осуществляется следующим образом.
3
L
H
0
B
Задающий генератор 1 формирует два противофазных импульсных сигнала, которые поступают на входы управления КУМ 2. При необходимости, для исключения сквозных токов через ключевые элементы КУМ 2, в задающем генераторе 1 может быть реализована задержка фронта выходных импульсных сигналов. Таким образом, реализуется задержка Т включения, во время которой ключевые элементы КУМ 2 одновременно находятся в закрытом состоянии. При этом траектория изменения Е входного напряжения КУМ 2 (фиг. 2) формируется перезарядом собственной выходной емкости и током дросселя 3. Затем ток дросселя i меняет направление и осуществляется перезаряд конденсатора 4 до напряжения V, при котором открываются рекуперативные диод 8 либо 9. При этом амплитуда напряжения на первичной обмотке остается практически неизменной для сопротивления нагрузки в диапазоне R>R от номинального значения до холостого хода. Соответственно, в этом диапазоне поддерживается относительное постоянство выпрямленного вторичного напряжения в условиях изменения выходного тока i выпрямителя.
H
0
В случае перегрузки при уменьшении сопротивления нагрузки R от номинального значения R до короткого замыкания выходное напряжение уменьшается из условия поддержания максимальной амплитуды выходного тока.
Вместе с тем, ТПН-прототип не обеспечивает стабилизацию выходного напряжения при изменении величины первичного напряжения. Поскольку выходное напряжение определяется величиной первичного напряжения Е (с учетом соотношения витков трансформатора), то все изменения величины напряжения первичной электросети приводят к пропорциональному изменению выходного напряжения. Изменение величины параметров нагрузки также приводит к изменению величины выходного напряжения при нестабильности нагрузочной характеристикой устройства-прототипа порядка 10%.
Задачей настоящего изобретения является повышение стабильности выходного напряжения ТПН при дестабилизирующих факторах, связанных с изменением нагрузки и напряжения электропитания.
Для решения поставленной задачи в известный ТПН, содержащий ключевой усилитель, шины электропитания которого подключены к шинам первичного напряжения, задающий генератор, соединенный прямым и инверсным выходами соответственно с первым и вторым входами ключевого усилителя, к выходу которого подсоединены последовательно соединенные дроссель и конденсатор, причем параллельно конденсатору подключена первичная обмотка трансформатора, вторичная обмотка которого через выпрямитель и выходной фильтр соединена с шинами вторичного выходного напряжения, а также первый и второй диоды, включенные обратной проводимостью последовательно между шинами первичного напряжения, а средняя точка соединения диодов подключена к точке соединения дросселя и конденсатора, в состав предлагаемого стабилизированного трансформатора постоянного напряжения введены новые признаки, а именно: сигнальная обмотка трансформатора, дополнительный выпрямитель, емкостной фильтр, усилитель разностного сигнала, а задающий генератор выполнен управляемым по частоте и соединен входом управления к выходу усилителя разностного сигнала, первый вход которого подключен к шине опорного напряжения, а второй вход соединен через емкостной фильтр и дополнительный выпрямитель к сигнальной обмотке трансформатора.
Техническим результатом от использования изобретения является стабилизация выходного напряжения от воздействия дестабилизирующих факторов, связанных с изменением нагрузки и напряжения электропитания.
Сущность изобретения поясняется фиг. 3 и фиг. 4, где на фиг. 3 приведена структурная заявленного ТПН, на фиг. 4 временные диаграммы сигналов, поясняющие его принцип действия.
Предлагаемый ТПН (фиг. 3) содержит управляемый задающий генератор (УЗГ) 1 с входом управления, ключевой усилитель 2 мощности, дроссель 3, конденсатор 4, трансформатор 5 с первичной 5.1, вторичной 5.2 и дополнительной сигнальной обмоткой 5.3, выпрямитель 6, выходной фильтр 7, рекуперативные диоды 8, 9, дополнительный выпрямитель 10, емкостной фильтр 11, усилитель разностного сигнала 12.
Работа предлагаемого ТПН осуществляется следующим образом.
з
з
L
B
0
з
0
oc
oп
p
oп
oc
Управляемый задающий генератор 1 формирует два противофазных импульсных сигнала, подаваемые на входы управления КУМ2. В УЗГ1 реализуется задержка фронтов противофазных импульсных сигналов на время Т, в течение которого транзисторы КУМ2 одновременно находятся в закрытом состоянии. При этом траектория изменения Е выходного напряжения КУМ 2 формируется перезарядом собственной выходной емкости током дросселя 3. С учетом Т ток дросселя i, напряжение на первичной обмотке 5.1 трансформатора 5 V и выходной ток выпрямителя 6 iпри заданном напряжении питания Е будет иметь вид, приведенный на фиг. 4. Из чертежа видно, что при неизменных временах задержки Т и траекторий изменения V выходного напряжения, величина постоянной составляющей выпрямленного напряжения V будет зависеть от частоты преобразования. Причем при повышении частоты переключений может достигаться понижение выходного напряжения. Это свойство используется для стабилизации выходного постоянного напряжения в предлагаемом ТПН. Для этого напряжение сигнальной обмотки 5.3 выходного трансформатора 5 поступает на дополнительный выпрямитель 10 и емкостной фильтр 11. С выхода фильтра постоянное напряжение обратной связи U поступает на усилитель разностного сигнала 12, на другой вход которого подается опорное напряжение U. Разностный сигнал U=U-U поступает на управляющий вход задающего генератора 1, который под его воздействием изменяет рабочую частоту и соответственно выходное напряжение таким образом, чтобы разностный сигнал стремился к нулевому значению. Таким образом, производится стабилизация выходного постоянного напряжения при воздействии различных дестабилизирующих факторов как при изменении напряжения питания, так и при изменении нагрузки.
н
B ср
Выходное напряжение U определяется значением тока выпрямителя i, усредненным за период переключения при заданном сопротивлении нагрузки.
н
B ср
н
U=i·R.
р
вн
в
ср
<mrow><msub><mi>ω</mi><mi>p</mi></msub><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>/</mo><msqrt><mrow><mi>L</mi><mi>C</mi></mrow></msqrt></mrow>
При обеспечении изменения частоты ω выходных сигналов управляемого задающего генератора в диапазоне ω=0,6÷1,5ω (где
- резонансная частота элементов 3 и 4) может быть обеспечена характеристика регулирования выходного тока выпрямителя от нуля до номинального значения i в условиях изменения напряжения электропитания в 1,5 раза. Глубина обратной связи в предлагаемом устройстве достигает 30 дБ, что позволяет уменьшить изменение выходного напряжения до 3-5% в условиях повышения напряжения электропитания на 50% и уменьшении выходного тока i в 10 раз. В результате в предлагаемом ТПН достигается стабилизация нагрузочных характеристик выходного напряжения в 3-4 раза лучше, чем в ТПН-прототипе при сохранении мягких траекторий переключения контуров токов и потенциалов импульсных напряжений, а также условия ограничения тока выходного тока в режимах перегрузки.
При изменении напряжения электропитания предлагаемый стабилизированный ТПН выгодно отличается от технических аналогов и ТПН-прототипа обеспечением стабильности выходного напряжения. Так, если в известных ТПН при изменении напряжения электропитания на 50% аналогичным образом изменяется выходное напряжение, то в предлагаемом устройстве изменение выходного напряжения в этих условиях не превышают 5%.
Разработаны и изготовлены опытные образцы стабилизированных ТПН с выходной мощностью 20÷100 Вт, результаты испытаний которых подтвердили указанные преимущества заявляемого технического решения, что позволяет рекомендовать его внедрение в системах вторичного электропитания.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Р. Северне, Г. Блум. «Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания» - М.: Энергоатомиздат, 1988 г. - 294 с.
2. Авторское свидетельство СССР №1603511, МКИ Н02М 7/538. Двухтактный транзисторный конвертор / В.А. Александров и др., опубл. в БИ №40 от 30.10.90 г.
3. Авторское свидетельство СССР №1628191, МКИ Н03К 5/02. Двухтактный конвертор / В.А. Александров и др., опубл. в БИ №6 от 15.02.91 г.
4. Патент РФ №2267218, МКИ Н02М 3/337. Трансформатор постоянного напряжения / В.А. Александров и др., опубл. БИ №36 27.12.2005 г.