СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ С ЗАЩИТОЙ
STABILISED VOLTAGE CONVERTER WITH PROTECTION

Предлагаемое изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания.
Известны стабилизированные преобразователи напряжения, в которых с целью регулирования или защиты от перегрузки используются трансформаторы тока или резистивные датчики тока [1], [2], [3], [4], [5], [6].
Эти элементы, как правило, устанавливаются в первичной цепи питания и не обеспечивают достоверной информации о процессах в выходной цепи преобразователя.
Известен стабилизированный преобразователь напряжения, содержащий регулирующий транзистор, последовательно соединенный через резистивный датчик тока с первичной обмоткой силового трансформатора, к вторичной обмотке подключен выпрямитель с фильтром и нагрузка, блок управления, который контролирует выходное напряжение и, с помощью резистивного датчика тока, - ток через регулирующий транзистор, что позволяет предотвратить перегрузку последнего [5].
При перегрузке выхода преобразователя в индуктивности рассеяния трансформатора накапливается энергия, значительно превышающая энергию в рабочем режиме, что приводит к нарушению пропорциональности между токами в первичной и вторичной цепями. В частности, если схема защиты осуществляет поцикловое ограничение тока в первичной обмотке трансформатора достаточно точно, то при нарастании перегрузки ток во вторичной обмотке продолжает нарастать.
Это может привести к перегреву трансформатора и выходу из строя выходного выпрямителя.
Для исключения такого явления в [5] предложен рестартный режим работы защиты, исключающий перегрев выходных цепей.
Однако такой режим неприемлем в случае необходимости постоянного поддержания стабильного выходного тока, например, при зарядке аккумуляторов или конденсаторов большой емкости. Для этой цели необходим непосредственный контроль выходного тока преобразователя.
Наиболее близким к предлагаемому является стабилизированный преобразователь напряжения с защитой, содержащий регулирующий транзистор, переходом сток-исток подключенный последовательно с первичной обмоткой силового трансформатора к выводам первичного источника питания, к затвору регулирующего транзистора подключен выход блока управления, к входу последнего подключена транзисторная часть элемента гальванической развязки, к вторичной обмотке силового трансформатора подключен выпрямитель, выход которого через фильтр подключен к нагрузке, усилитель сигнала рассогласования, входная цепь которого подключена к выходу фильтра, а выход через диод, резистор и диодную часть элемента гальванической развязки подключен к дополнительному выпрямителю с фильтром, входом подсоединенному к дополнительной обмотке силового трансформатора, последовательно со вторичной обмоткой силового трансформатора в общую шину включен резистивный датчик тока, к выводам которого подключены входы токостабилизирующего усилителя, а выход через диод подключен к диодной части элемента гальванической развязки [6].
Введенные резистивный датчик тока и токостабилизирующий усилитель позволяют непосредственно контролировать ток в цепи нагрузки и ограничивать его заданным значением.
Если ток нагрузки не превышает номинальное значение, то усилитель сигнала рассогласования контролирует и стабилизирует выходное напряжение преобразователя. Если ток нагрузки достигает установленного значения ограничения, то токостабилизирующий усилитель через диодную схему ИЛИ отпирает диодную часть элемента гальванической развязки, замыкая контур стабилизации тока нагрузки. При этом выходное напряжение преобразователя снижается.
Режим стабилизации тока нагрузки позволяет осуществлять зарядку аккумуляторов и конденсаторов большой емкости, а также осуществлять параллельную работу двух и более преобразователей, объединяя их выходы.
Недостатком рассмотренного преобразователя является усложненная схема, т.к. в нее введен токостабилизирующий усилитель и дополнительный выпрямитель с фильтром. Дополнительная обмотка усложняет конструкцию силового трансформатора. Кроме того, резистивный датчик тока вызывает неоправданные потери мощности, особенно при значительных токах нагрузки. При уменьшении падения напряжения на датчике и, следовательно, на входе токостабилизирующего усилителя снижается его помехоустойчивость, а при использовании помехоподавляющих RC-цепей недопустимо снижается быстродействие усилителя.
Дополнительный выпрямитель в рассматриваемом преобразователе необходим для поддержания минимально необходимого напряжения питания диодной части элемента гальванической развязки и токостабилизирующего усилителя при КЗ выхода преобразователя. Отметим, что вторичная и дополнительная обмотки силового трансформатора включены в противофазе. Энергия во вторичную обмотку поступает при открытом регулирующем транзисторе (на «прямом ходе»), а в дополнительную - на «обратном ходе».
При перегрузке выхода импульсы на вторичной обмотке становятся более короткими по длительности. Вследствие правила равенства вольтсекундных площадей импульсов за период, импульсы на дополнительной обмотке становятся более низкими по амплитуде. При КЗ выхода преобразователя напряжение на выходе дополнительного выпрямителя резко падает.
Для осуществления функции защиты на диодной части элемента гальванической развязки должно поддерживаться напряжение около 2-х вольт. К этому значению необходимо добавить падение напряжения на диоде и выходное напряжение токоограничительного усилителя.
Поэтому при полном КЗ выхода преобразователя напряжение питания диодной части элемента гальванической развязки может оказаться недостаточным для отпирания его транзисторной части, что приводит к потере схемой защитных функций.
Очевидно, что стремление увеличить напряжение питания цепи диодной части при КЗ выхода увеличением числа витков в дополнительной обмотке приводит к неоправданному его увеличению при нормальной работе. Как правило, оно должно составлять не более 10-12 вольт.
Таким образом, в рассмотренном преобразователе нельзя гарантировать надежную защиту при КЗ выхода.
Техническим результатом, получаемым при осуществлении изобретения, является повышение надежности защиты при перегрузках и КЗ выхода преобразователя при упрощении его схемы.
Это достигается тем, что между выводом вторичной обмотки силового трансформатора и входом выпрямителя включена первичная обмотка трансформатора тока, а его вторичная обмотка, нагруженная на резистивный шунт, одним выводом подключена к выходу фильтра, а другим - через диод к выходу усилителя рассогласования.
На чертеже приведена схема предлагаемого стабилизированного преобразователя с защитой.
На чертеже и в тексте приняты следующие обозначения: 1 - первичный источник питания, 2 - первичная обмотка, 3 - силовой трансформатор, 4 - регулирующий транзистор. 5 - блок управления, 6 - транзисторная часть элемента гальванической развязки, 7 - вторичная обмотка, 8 - выпрямитель, 9 - фильтр, 10 - нагрузка, 11 - усилитель сигнала рассогласования, 12 - резистор, 13 - диодная часть элемента гальванической развязки, 14 - трансформатор тока, 15 - резистивный шунт, 16 - диод.
Устройство содержит первичный источник питания 1, напряжение которого поступает на последовательно соединенные первичную обмотку 2 силового трансформатора 3 и переход сток-исток регулирующего транзистора 4. К затвору транзистора 4 подключен выход блока управления 5, к его входу подсоединена транзисторная часть элемента гальванической развязки 6. Выход выпрямителя 8 через фильтр 9 подключен к нагрузке 10. Входная цепь усилителя сигнала рассогласования 11 подключена к выходу фильтра 9. Выход фильтра 9 через резистор 12 и диодную часть элемента гальванической развязки 13 подключен к выходу усилителя 11. Между выводом вторичной обмотки 7 силового трансформатора 3 и входом выпрямителя 8 включена первичная обмотка трансформатора тока 14. Его вторичная обмотка, нагруженная на резистивный шунт 15, одним выводом подключена к выходу фильтра 9, а другим - через диод 16 к выходу усилителя сигнала рассогласования 11.
Устройство работает следующим образом.
Напряжение первичного источника питания 1 поступает на первичную обмотку 2 силового трансформатора 3. С помощью ключевого регулирующего транзистора 4 на обмотке 2 формируются импульсы напряжения, снимаемые со вторичной обмотки 7, которые после выпрямителя 8 и фильтра 9 поступают в нагрузку 10. Контроль выходного напряжения осуществляет усилитель сигнала рассогласования 11, имеющий встроенный источник опорного напряжения. Изменение выходного напряжения усилителя сигнала рассогласования 11 приводит к изменению тока через диодную часть элемента гальванической развязки 13, что, в свою очередь, приводит к изменению выходного сопротивления транзисторной части элемента гальванической развязки 6. Последнее модулирует импульсы, формируемые блоком управления 5 таким образом, что образуемая скважность импульсов регулирующего транзистора 4 позволяет стабилизировать выходное напряжение преобразователя.
Импульсы напряжения, снимаемые с вторичной обмотки введенного трансформатора тока 4, изменяются по амплитуде пропорционально току нагрузки преобразователя. Необходимая амплитуда импульсов устанавливается с помощью резистивного шунта 15.
При превышении током нагрузки преобразователя установленного предела импульсы напряжения, поступающие от шунта 15 через диод 16, отпирают диодную часть элемента гальванической развязки 13.
Таким образом, контроль выходного напряжения преобразователя с помощью усилителя сигнала рассогласования 11 заменяется контролем выходного тока с помощью трансформатора тока 14.
Очевидно, что первичная обмотка трансформатора тока 4 (1-2 витка) не вносит дополнительных потерь в выходную цепь преобразователя при
любом токе. Напряжение на шунте 15 зависит только от тока нагрузки, независимо от наличия или отсутствия выходного напряжения преобразователя. Тем самым обеспечивается надежность схемы при полном КЗ выхода. Поэтому отпадает необходимость в дополнительной обмотке силового трансформатора и дополнительном выпрямителе с фильтром. Исключаются также токостабилизирующий усилитель и резистивный датчик тока, что упрощает схему. Трансформатор тока выполняется на миниатюрном стержневом ферритовом сердечнике типа «Гантель» (D=3, Н=4 мм), что не ухудшает технологичности изготовления преобразователя.
Вследствие температурной нестабильности диодной части элемента гальванической развязки, уровень порога срабатывания защиты имеет отрицательный температурный дрейф. В частности, для зарядки аккумуляторных батарей это имеет положительное значение. В случае необходимости более высокой температурной стабильности, она может быть легко достигнута с помощью ЧИП-терморезистора, включенного совместно с резистивным шунтом 15.
Предложенное техническое решение проверялось в образцах блоков питания AC/DC и модулях DC/DC с выходными токами от 1 до 10 ампер.
Выходной ток преобразователя оказывается достаточно стабильным вплоть до полного КЗ выхода (2-3% нестабильности).
Очевидно, что это решение может работать в составе преобразователей любой структуры (однотактные, двухтактные и т.д.), при любом виде модуляции (ШИМ, ЧИМ), а также при любом типе используемой управляющей микросхемы. Существенно также, что к введенному трансформатору тока не предъявляется требование электрической прочности изоляции, как к входным и выходным цепям преобразователя.
ЛИТЕРАТУРА
1. Патент №2013849, МПК Н02М 3/335, 30.05.1994.
2. Патент №2072617, МПК Н02М 3/337, 27.01.1997.
3. Патент №21488, МПК Н02М 3/335, 20.01.2002.
4. Патент №2256998, МПК Н02М 3/335, 20.07.2005.
5 Патент №13 02903, МПК G05 F/573, 20.12.20005.
6. В.Жданкин. Результаты испытаний радиационо-стойких DC/DC - преобразователей фирмы Interpoint воздействием ионизирующих излучений низкой и высокой интенсивности. Современная электроника, №4, 2006 г., стр.33.