Прямоходовой преобразователь с синхронным выпрямлением и активным ограничением перенапряжений
FORWARD CONVERTER WITH SYNCHRONOUS RECTIFICATION AND ACTIVE OVERVOLTAGE LIMITATION

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к преобразовательной технике, в частности к преобразователям с низким входным напряжением, преобразующим постоянное напряжение в постоянное, и может быть использовано в системах электропитания устройств радиотехники, автоматики и вычислительной техники.
Технический уровень
В настоящее время развитие преобразователей электрической энергии – основных узлов источников вторичного электропитания – идет по пути миниатюризации, повышения КПД и уменьшению радиопомех.
Существует множество известных схемных решений источников вторичного электропитания на основе однотактного прямоходового преобразователя напряжения, например, однотактный преобразователь с прямым включением диода и активным ограничителем перенапряжения (П.Уринов, Ограничение напряжения на ключевом транзисторе в однотактных преобразователях, журнал «Силовая электроника», №1, 2004, стр.62-65, рис.5).
Недостатком схемы данного преобразователя являются большие потери мощности в выпрямительных диодах, что требует применения радиаторов, это увеличивает массу и габариты. Кроме того, потери мощности на выпрямительных диодах приводят к снижению КПД.
Известен также преобразователь с синхронным выпрямителем, управляемым от обмотки силового трансформатора (Миронов А.А., Твердов И. В., Кравченко М. Н., ООО «АЭИЭП» Синхронное выпрямление в модулях питания. [Электронный ресурс]. – URL: [http://tkd.com.ua/articles/tkd0108.html] (дата обращения 08.05.2020), рис.2а), состоящий из схемы управления и силовой цепи, включающей в себя импульсный трансформатор с двумя обмотками (первичная и вторичная), силового ключа (МДП-транзистор), ограничивающей RCD цепи (последовательно включенного диода с параллельно соединёнными конденсатором и резистором), синхронного выпрямителя (два МДП-транзистора), диода, двух защитных RC цепей (последовательно включенными резистором и конденсатором) дросселя и конденсатора фильтра.
Недостатками схемы данного преобразователя являются перенапряжения на МДП-транзисторах, высокий уровень радиопомех, низкий КПД при достаточно больших массе и габаритах.
На высоких частотах (более 100 кГц) очень трудно обеспечить хорошую магнитную связь между первичной и вторичной обмотками трансформатора, это приводит к увеличению индуктивности рассеяния, как в первичной, так и во вторичной обмотке трансформатора., а накопленная в ней энергия является причиной перенапряжений на стоке МДП-транзисторов при их выключении. Этот факт увеличивает риск выхода из строя МДП-транзистора, что вызывает необходимость либо использовать в данной схеме приборы с уникальными свойствами по быстродействию, перегрузочной способности, стойкости к вторичному пробою, либо вводить защитные цепи: первая RCD-цепь – шунтирует первичную обмотку трансформатора, вторая RC-цепь – шунтирует МДП-транзистор в первичной цепи, третья и RC-цепь – шунтирует МДП-транзистор во вторичной цепи. Отмеченные особенности ограничивают область применения данной схемы преобразователя.
Кроме того, на резисторах защитных цепей будет рассеиваться значительная мощность, т.е. КПД преобразователя снижается.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является преобразователь с резонансным переключением (И.Твердов, М.Кравченко, Модули питания с высоким КПД и широким диапазоном входных напряжений, журнал «Электронные компоненты» №8, 2012, стр.53-55), состоящий из схемы управления и силовой цепи, включающей в себя импульсный трансформатор с двумя обмотками (первичная и вторичная), силового ключа (МДП-транзистор), цепи активного ограничителя (последовательно включенный МДП-транзистор и конденсатор), синхронного выпрямителя (два МДП-транзистора), дроссель и конденсатор фильтра. При этом начало первичной обмотки импульсного трансформатора подключено к первой входной клемме, а конец первичной обмотки соединен со стоком МДП-транзистора, исток которого подключен ко второй входной клемме, а затвор подключен к выводу схемы управления. Второй вывод схемы управления соединен с затвором второго МДП-транзистора исток которого также подключен ко второй входной клемме, а сток соединён к первому выводу конденсатора, который вторым выводом соединён к концу первичной обмотки.
К концу вторичной обмотки импульсного трансформатора подключен сток третьего МДП-транзистора, его затвор подключен к первому выводу схемы управления, а исток подключен к отрицательной обкладке выходного конденсатора и истоку четвёртого МДП транзистора, затвор которого подключен ко второму выводу схемы управления, а сток имеет соединение с началом вторичной обмотки и первым выводом дросселя входного фильтра, второй вывод дросселя имеет соединение с положительной обкладкой выходного конденсатора, подключенного к нагрузке.
Недостатками данного преобразователя являются перенапряжения на четвёртом МДП-транзисторе, приводящие к увеличению радиопомех и снижению КПД, при достаточно больших массе и габаритах.
Это связано с тем, что обмотки трансформатора обладают индуктивностью рассеяния, в которой при протекании тока запасается энергия являющаяся причиной перенапряжений на стоке МДП-транзисторов при их выключении. В данной схеме наиболее подвержен перегрузкам четвёртый МДП-транзистор, так как его отключение происходит с перегрузками по напряжению при высоком токе. Этот факт увеличивает риск выхода из строя МДП-транзистора, что вызывает необходимость либо использовать в данной схеме приборы с уникальными свойствами по быстродействию, перегрузочной способности, стойкости к вторичному пробою, либо вводить защитные цепи, например RC-цепи, между стоком и истоком третьего и четвёртого МДП-транзистора, но на резисторах защитных цепей будет рассеиваться значительная мощность, т.е. КПД преобразователя снижается. Отмеченные особенности снижают КПД преобразователя и приводят к увеличению массогабаритных характеристик.
Кроме того, индуктивность рассеяния вторичной обмотки при запирании МДП-транзистора, образует колебательный контур, обладающий высокой частотой собственных колебаний, это является причиной увеличения радиопомех, а их уменьшение требует использования защитных RC-цепей и экранирования, что в свою очередь приведёт к уменьшению КПД и увеличению массогабаритных показателей. Отмеченные особенности увеличивают уровень радиопомех преобразователя и увеличивают массогабаритные показатели.
Сущность изобретения
Технический результат изобретения – улучшение массогабаритных показателей преобразователя, увеличение его КПД и снижение радиопомех.
Технический результат достигается тем, что в преобразователь с резонансным переключением, состоящий из схемы управления и силовой цепи, включающей в себя импульсный трансформатор с двумя обмотками (первичная и вторичная), силовой ключ (МДП-транзистор), цепь активного ограничителя (последовательно включенный МДП-транзистор и конденсатор), синхронный выпрямитель (два МДП-транзистора), дроссель и конденсатор фильтра, введены демпфирующая цепь, образованная последовательно соединенными первым ограничивающим резистором и первым ограничивающим конденсатором, и активный ограничитель перенапряжений, состоящий из второго ограничивающего конденсатора, диода, дополнительного МДП-транзистора и второго ограничивающего резистора, при этом сток – исток первого МДП-транзистора синхронного выпрямителя зашунтирован демпфирующей цепью, а исток второго МДП-транзистора синхронного выпрямителя подключен через второй ограничивающий резистор к истоку дополнительного МДП-транзистора синхронного выпрямителя и катоду диода, анод которого соединён со стоком дополнительного МДП-транзистора причем между стоками второго МДП-транзистора синхронного выпрямителя и дополнительным МДП-транзистором включен второй ограничивающий конденсатора, затвор дополнительного МДП-транзистора подключен к концу третьей обмотки импульсного трансформатора, а начало третьей обмотки трансформатора подключено к выходному конденсатору фильтра.
Чертежи
На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого прямоходового преобразователь с синхронным выпрямлением и активным ограничением., где приняты следующие обозначения:
1 – входной конденсатор;
2 – блок управления ШИМ;
3 – первый МДП-транзистор;
4 – второй МДП-транзистор;
5 – конденсатор;
6 – импульсный трансформатор;
7 – блок управления синхронным выпрямителем;
8 и 9 – МДП-транзистор, образующие синхронный выпрямитель;
10 – первый ограничивающий резистор;
11 – первый ограничивающий конденсатор;
12 – второй ограничивающий конденсатор;
13 – диод;
14 – дополнительный транзистор;
15 – второй ограничивающий резистор;
16 – дроссель фильтра;
17 – конденсатор фильтра.
Осуществление изобретения
Прямоходовой преобразователь с синхронным выпрямлением и активным ограничением перенапряжений состоит из схемы управления, включающей в себя блок управления ШИМ 2 и блок управления синхронным выпрямителем 7, а так же силовой цепи, включающей в себя входной конденсатор 1, МДП-транзистор 3, активный ограничитель перенапряжений, состоящий из второго МДП-транзистора 4 и конденсатора 5, импульсный трансформатор 6, синхронный выпрямитель, образованный МДП-транзисторами 8 и 9, демпфирующую цепь, образованную первым ограничивающим резистором 10 и первым ограничивающим конденсатором 11, дроссель фильтра 16 и конденсатор фильтра 17, активный ограничитель перенапряжений, состоящий из второго ограничивающего конденсатора 12, диода 13, дополнительного транзистора 14 и второго ограничивающего резистора 15.
При этом входной конденсатор 1 включен между входных клемм, начало первичной обмотки импульсного трансформатора 6 подключено к положительной обкладке входного конденсатора, а её конец, через переход сток-исток первого МДП-транзистора 5 соединён с отрицательной обкладкой входного конденсатора, при этом затвор первого МДП-транзистора соединён с первым выводом блока управления ШИМ 2. Второй вывод блока управления ШИМ соединен с затвором второго МДП-транзистора 4, исток которого подключен к истоку первого МДП-транзистора, а стоком подключен через конденсатор 5 к концу первичной обмотки импульсного трансформатора. К концу вторичной обмотки импульсного трансформатора 6 подключен первый вывод блока управления синхронным выпрямителем 7 и сток МДП-транзистора 8, его затвор подключен ко второму выводу блока управления синхронным выпрямителем, а исток подключен к отрицательной обкладке конденсатора фильтра 17, который включен между выходных клемм. Сток-исток МДП-транзистора 8 зашунтирован демпфирующей цепью, образованной последовательным соединением первого ограничивающего резистора 10 и первого ограничивающего конденсатора 11. Третий вывод блока управления синхронным выпрямителем подключен к затвору МДП-транзистора 9, его исток соединён с истоком МДП-транзистора 8 и началом третьей обмотки импульсного трансформатора 6, а сток имеет соединение с началом вторичной обмотки импульсного трансформатора, четвёртым выводом блока управления синхронным выпрямителем и первым выводом дросселя фильтра 16, второй вывод которого соединён с положительной обкладкой конденсатора фильтра 17. Конец третьей обмотки импульсного трансформатора подключен к затвору дополнительного МДП-транзистора 14, исток которого подключен через второй ограничивающий резистор 15 к истоку МДП-транзистора 9 и катоду диода 13, анод которого соединён со стоком дополнительного МДП-транзистора, при этом, между стоками МДП-транзистора 9 и дополнительным МДП-транзистором включен второй ограничивающий конденсатора 12.
Кроме того, схема прямоходового преобразователя с синхронным выпрямлением и активным ограничением охвачена обратной связью по напряжению, имеет защиту по току и пониженному входному напряжению (на фигуре не показаны).
Прямоходовой преобразователь с синхронным выпрямлением и активным ограничением работает следующим образом.
При наличии входного напряжения UВХ на входных клеммах и подаче блоком управления ШИМ положительного импульса на затвор первого МДП-транзистора 3, он открывается, при этом второй МДП-транзистор 4 заперт. Начинает протекать ток по цепи: положительная входная клемма, первичная обмотка импульсного трансформатора 6, сток-исток первого МДП-транзистора 3, отрицательная входная клемма.
К первичной обмотке импульсного трансформатора 6 прикладывается напряжение, которое трансформируется во вторичную его обмотку. Блоком управления синхронным выпрямителем подаётся положительный импульс на затвор МДП-транзистора 8, он открывается. Начинает протекать ток по цепи: начало вторичной обмотки импульсного трансформатора, дроссель фильтра, нагрузка (на фигуре не показана), исток-сток МДП-транзистора 8, конец вторичной обмотки импульсного трансформатора. Одновременно протекает ток и по цепи: начало вторичной обмотки импульсного трансформатора, второй ограничивающий конденсатор 12, диод 13, конец вторичной обмотки импульсного трансформатора. Кроме того, протекает ток еще и по цепи: начало вторичной обмотки импульсного трансформатора, второй ограничительный конденсатор 12, сток-исток дополнительного МДП-транзистора, второй ограничивающий резистор 15, конец вторичной обмотки импульсного трансформатора. Вследствие протекания тока через второй ограничивающий конденсатор 12 и диод 13 уменьшается скорость нарастания напряжения на вторичной обмотке импульсного трансформатора 6 и сток-исток четвёртого МДП-транзистора, что в свою очередь, приводит к уменьшению радиопомех. По завершении периода заряда второго ограничивающего конденсатора 12, начинается передача запасённой им энергии в нагрузку (на фигуре не показана), ток протекает по цепи: первая обкладка второго ограничивающего конденсатора 12, дроссель фильтра 16, нагрузка (на фигуре не показана), второй ограничивающий резистор 15, исток-сток дополнительного МДП-транзистора, второй вывод второго ограничивающего конденсатора 12. Это позволяет уменьшить амплитуду перенапряжений на стоке МДП-транзистора 9, при этом уменьшить потери мощности, соответственно, увеличив КПД, уменьшить массу и габариты.
При подаче блоком управления ШИМ отрицательного импульса на затвор первого МДП-транзистора, он выключается, блок управления синхронным выпрямителем подаёт отрицательный импульс на затвор МДП-транзистора 8, он отключается, затем блок управления синхронным выпрямителем подаёт положительный импульс на затвор МДП-транзистора 9 и он включается. На конце третьей обмотки импульсного трансформатора формируется импульс, закрывающий дополнительный МДП-транзистор 14, кроме того, при переходном процессе, ток, протекающий через второй ограничивающий резистор 15, способствуют ускорению его закрытия. При выключении первого МДП-транзистора, ток через нагрузку не прекращается, он поддерживается за счет энергии, запасенной в дросселе фильтра, и протекает по цепи: дроссель фильтра, нагрузка (на фигуре не показана), исток-сток МДП-транзистора 9. При этом, МДП-транзистор 8 закрыт и к нему прикладывается напряжение, нарастание которого ограничивает демпфирующая цепь, заряжая первый ограничивающий конденсатор 11 с сопротивлением току первого ограничивающего резистора 10. Конденсатор фильтра 17 обеспечивает требуемые пульсации напряжения на нагрузке.
После отключения первого МДП-транзистора, с фиксированной задержкой, блоком управления  ШИМ подаётся сигнал на включение второго МДП-транзистора. Сумма тока индуктивности рассеяния и индуктивности намагничивания импульсного трансформатора протекает по цепи: начало первичной обмотки импульсного трансформатора, конденсатор 5, сток-исток второго МДП-транзистора, входной конденсатор, начало первичной обмотки, заряжая конденсатор 5. По завершении заряда конденсатора 5 происходит рекуперация запасённой энергии во входной конденсатор, по пути протекания тока: первый вывод конденсатора 5, первичная обмотка импульсного трансформатора, входной конденсатор 1, исток-сток второго МДП-транзистора, вторая обкладка конденсатора 5.
При подаче блоком управления ШИМ сигнала отключающего второй МДП-транзистор 4 токи индуктивности намагничивания и индуктивности рассеяния отсутствуют или очень малы, напряжение на МДП-транзисторе уменьшается. С фиксированной задержкой, блоком управления ШИМ подаётся положительный импульс на затвор первого МДП-транзистора, он включается, блок управления синхронным выпрямителем подаёт отрицательный импульс на затвор МДП-транзистора 8, он выключается.
Цепь обратной связи по напряжению обеспечивает стабильность выходного напряжения (UВЫХ) в заданных пределах при изменении входного напряжения (UВХ) и тока нагрузки за счет широтно-импульсной модуляции напряжения первичной обмотки трансформатора 6 (обратная связь по напряжению обеспечивается тем, что на блок управления ШИМ подается напряжение с выходных клемм).
Цепь защиты по напряжению обеспечивает отключение формирования импульсов при выходе входного напряжения за границы заданного диапазона (защита по напряжению обеспечивается блоком управления ШИМ совместно с резистивным делителем напряжения, включенным параллельно входному конденсатору).
Цепь защиты по току ограничивает ток сток-исток первого МДП-транзистора при пуске, и коротком замыкании (защита по току обеспечивается блоком управления ШИМ совместно с шунтирующим резистором, включенным между истоком первого МДП-транзистора и входным конденсатором).
Введение в схему преобразователя с резонансным переключением демпфирующей цепи, состоящей из первого ограничивающего резистора 10 и первого ограничивающего конденсатора 11, позволило нивелировать погрешность емкостных характеристик сток-исток МДП-транзистора 8 и избавиться от колебательных процессов, как следствие уменьшить уровень радиопомех. А введение цепи ограничения перенапряжений, состоящей из второго ограничивающего конденсатора 12, диода 13, второго ограничивающего резистора 15, дополнительного МДП-транзистора 14, и третей обмотки импульсного трансформатора 6, привело к уменьшению максимального напряжения сток-исток МДП-транзистора 9 с одновременным уменьшением перегрузки по мощности и напряжению. Это позволило использовать МДП-транзистор с меньшим максимальным напряжением сток-исток, обладающий меньшими паразитными характеристиками, что привило к увеличению КПД на величину от 1,5 до 2,4%, а также, уменьшению массу и габаритов. Кроме того, уменьшен уровень радиопомех более чем на 3дБ.