RU2080734C1 - Regulated voltage changer - Google Patents

Abstract

FIELD: secondary power supplies. SUBSTANCE: voltage changer has two transistor switches 1, 2, two diodes 3, 4, transformer 6, choke coil 8, filter capacitor 9, rectifier 11, LC filter, compensating capacitor 14, two delay elements 15, 16, control unit 17, error signal amplifier 18, reference voltage supply 19, pulse-position modulator 20, electric isolation unit 21, triggering circuit 22. Under steady state conditions, pulses coming from control unit 17 alternately drive in conduction transistor switches 1, 2. Unlike-polarity voltage pulses are built up across primary winding 7 of transformer 6; waveform of current carried by this winding is corrected by choke coil 8 and that of pulses across transistor switches 1, 2, by capacitor 14; DC component of voltage pulses across switches 1, 2 is separated at capacitor 9 and AC component goes via transformer 6 to rectifier 11 and is passed through LC filter 12. Output voltage of voltage changer is regulated due to modulation of change-over phase of switches 1, 2. EFFECT: improved design. 2 dwg

Description

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано во вторичных источниках электропитания. The invention relates to a conversion technique and can be used in secondary power sources.

Известны преобразователи напряжения, содержащие первый и второй транзисторные ключи, конденсатор, подключенный к первичной обмотке трансформатора, вторичную обмотку, подключенную через двухполупериодный выпрямитель и LC-фильтр к нагрузке (см. авт.св. N 1192065, H 02 M 3/335, 1985). Known voltage converters containing the first and second transistor switches, a capacitor connected to the primary winding of the transformer, a secondary winding connected through a half-wave rectifier and an LC filter to the load (see ed. St. N 1192065, H 02 M 3/335, 1985 )

Такие преобразователи не обладают высокой надежностью, поскольку на транзисторных ключах возникает напряжение, более чем вдвое превосходящее напряжение первичного источника питания. Кроме того, при переключениях транзисторных ключей в трансформаторе возникают импульсные токи с фронтами малой длительности, что способствует генерации электромагнитных помех. Such converters do not have high reliability, since a voltage appears on the transistor switches, more than twice the voltage of the primary power source. In addition, when switching transistor switches in the transformer, pulsed currents with fronts of short duration occur, which contributes to the generation of electromagnetic interference.

Наиболее близким к предлагаемому является преобразователь напряжения, содержащий первый и второй транзисторные ключи, соединенные последовательно через конденсатор между собой и подключенные к разнополярным выводам первичного источника питания, трансформатор, первичная обмотка которого подключена к первому выводу первичного источника питания и к точке соединения конденсатора и первого транзисторного ключа, вторичные обмотки через двухполупериодный выпрямитель и LC-фильтр подключены к нагрузке, первичная обмотка шунтирована параллельно соединенными конденсатором и дросселем, транзисторные ключи шунтированы встречно включенными диодами, к входным цепям транзисторных ключей подключены логические схемы И, первые входы которых соединены с выходными цепями транзисторных ключей, а вторые с парафазными выходами блока управления, причем вход первого транзисторного ключа связан с узлом запуска. (См. авт.св. N 1224921 H 02 M 3/335, 1986). Closest to the proposed one is a voltage converter containing the first and second transistor switches connected in series through a capacitor to each other and connected to bipolar leads of the primary power source, a transformer whose primary winding is connected to the first terminal of the primary power source and to the junction point of the capacitor and the first transistor key, the secondary windings through a half-wave rectifier and an LC filter are connected to the load, the primary winding is shunted in parallel The transistor switches are shunted by oppositely connected diodes, the logic circuits And are connected to the input circuits of the transistor keys, the first inputs of which are connected to the output circuits of the transistor keys, and the second with the paraphase outputs of the control unit, the input of the first transistor key connected to the start node . (See ed. St. N 1224921 H 02 M 3/335, 1986).

Этот преобразователь напряжения предназначен для стабилизации выходного напряжения, так как содержит регулирующий ключ. В преобразователе, в зависимости от относительной длительности импульсов, формируемых задающим генератором, напряжение на транзисторных ключах может более чем вдвое превышать напряжение питающей сети. При работе от выпрямленной сети с напряжением 220 в напряжение на ключах может составлять 600 800 В, что при любых схемотехнических решениях создает потенциальный источник отказа и резко ограничивает номенклатуру используемых транзисторов и диодов. This voltage converter is designed to stabilize the output voltage, as it contains a control switch. In the converter, depending on the relative duration of the pulses generated by the master oscillator, the voltage on the transistor switches can more than double the voltage of the supply network. When operating from a rectified network with a voltage of 220 V, the voltage on the switches can be 600 800 V, which with any circuitry solutions creates a potential source of failure and sharply limits the range of transistors and diodes used.

При переключениях транзисторных ключей в транзисторе возникают импульсы тока с фронтами малой длительности, вызывающие электромагнитные помехи. Дроссель, включаемый параллельно первичной обмотке трансформатора для увеличения пульсаций тока намагничивания, имеет значительную индуктивность и габариты, так как включен параллельно первичной обмотке трансформатора с высоким напряжением. When switching transistor switches in the transistor, current pulses occur with fronts of short duration, causing electromagnetic interference. The inductor connected in parallel to the primary winding of the transformer to increase the ripple of the magnetization current has significant inductance and dimensions, as it is connected in parallel to the primary winding of the transformer with a high voltage.

Токи транзисторных ключей существенно различны: через первый (регулирующий) ключ протекает импульсный ток, действующее значение которого много выше, чем второй (вспомогательный) ключ. Следовательно, при применении транзисторов одного типа они загружены неоптимально. The currents of transistor switches are significantly different: a pulsed current flows through the first (control) switch, the effective value of which is much higher than the second (auxiliary) switch. Therefore, when using transistors of the same type, they are not optimally loaded.

Входы логических схем И соединены с высоковольтными транзисторными ключами. Следовательно, эти схемы должны содержать высоковольтные элементы (диоды или транзисторы), что усложняет и удорожает схему преобразователя. The inputs of the logic circuits AND are connected to high-voltage transistor switches. Therefore, these circuits must contain high-voltage elements (diodes or transistors), which complicates and increases the cost of the converter circuit.

Для включения задающего генератора необходим либо вспомогательный источник питания, либо цепь запуска, обеспечивающая первоначальное включение с последующим питанием от обмотки трансформатора. Следовательно, узел запуска, подключенный ко входу второго транзисторного ключа, является дополнительным звеном, усложняющим устройство, наличие которого вызвано только применением схем И. To turn on the master oscillator, either an auxiliary power source or a start-up circuit is required, which ensures initial switching on and subsequent power supply from the transformer winding. Therefore, the trigger node connected to the input of the second transistor switch is an additional link that complicates the device, the presence of which is caused only by the use of circuits I.

Техническим результатом, получаемым при осуществлении изобретения, является повышение надежности, КПД, улучшение электромагнитной совместимости и упрощение схемы преобразователя. The technical result obtained by carrying out the invention is to increase reliability, efficiency, improve electromagnetic compatibility and simplify the converter circuit.

Это достигается тем, что первый и второй транзисторные ключи соединены последовательно, шунтированы встречно включенными диодами и подключены к разнополярным выводам первичного источника питания, первичная обмотка трансформатора одним выводом через дроссель подключена к средней точке транзисторных ключей и вторым выводом через фильтрующий конденсатор к одному из выводов первичного источника питания, причем последовательно соединенные дроссель и первичная обмотка трансформатора шунтированы корректирующим конденсатором, управляющие выводы транзисторных ключей через элементы задержки подключены к парафазным выходам блока управления. This is achieved by the fact that the first and second transistor switches are connected in series, shunted with on-board diodes and connected to the bipolar leads of the primary power source, the primary winding of the transformer with one terminal through the inductor is connected to the midpoint of the transistor switches and the second terminal through a filter capacitor to one of the terminals the power source, and the choke and the primary winding of the transformer connected in series are shunted by a correction capacitor, I control s conclusions transistor switches via the delay elements are connected to the outputs of the paraphase control unit.

Блок управления содержит последовательно соединенные усилитель сигнала рассогласования, первый вход которого является первым входом блока управления, фазо-импульсный модулятор и узел гальванической развязки, выходы которого использованы в качестве парафазных выходов блока управления, и источник опорного напряжения, подключенный ко второму входу усилителя сигнала рассогласования. The control unit contains a series-connected amplifier of the error signal, the first input of which is the first input of the control unit, a phase-pulse modulator and a galvanic isolation unit, the outputs of which are used as paraphase outputs of the control unit, and a reference voltage source connected to the second input of the error signal amplifier.

Первый вход блока управления соединен с выходом LC-фильтра, через двухполупериодный выпрямитель подключенного к выходным обмоткам трансформатора. Второй вход блока управления соединен с выходом цепи запуска, входом подключенной к выводам первичного источника питания. The first input of the control unit is connected to the output of the LC filter, through a half-wave rectifier connected to the output windings of the transformer. The second input of the control unit is connected to the output of the trigger circuit, an input connected to the terminals of the primary power source.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого преобразователя напряжения; на фиг. 2 эпюры, поясняющие работу схемы. In FIG. 1 shows a diagram of the proposed voltage Converter; in FIG. 2 diagrams explaining the operation of the circuit.

На фиг. 1 и в тексте приняты следующие обозначения:
1 первый транзисторный ключ, 2 второй транзисторный ключ, 3 и 4 - диоды, 5 первичный источник питания, 6 трансформатор, 7 первичная обмотка трансформатора, 8 дроссель, 9 фильтрующий конденсатор, 10 - вторичные обмотки трансформатора, 11 выпрямитель, 12 LC-фильтр, 13 - нагрузка, 14 корректирующий конденсатор, 15 и 16 элементы задержки, 17 - блок управления, 18 усилитель сигнала рассогласования, 19 источник опорного напряжения, 20 фазо-импульсный модулятор, 21 узел гальванической развязки, 22 цепь запуска.In FIG. 1 and the following notation is used in the text:
1 first transistor switch, 2 second transistor switch, 3 and 4 - diodes, 5 primary power supply, 6 transformer, 7 primary transformer winding, 8 inductor, 9 filter capacitor, 10 - secondary transformer windings, 11 rectifier, 12 LC filter, 13 - load, 14 correction capacitor, 15 and 16 delay elements, 17 - control unit, 18 mismatch signal amplifier, 19 reference voltage source, 20 phase-pulse modulator, 21 galvanic isolation unit, 22 start circuit.

Устройство содержит первый 1 и второй 2 транзисторные ключи, шунтированные встречно включенными диодами 3 и 4, соединенные последовательно, подключенные к разнополярным выводам первичного источника питания 5, трансформатор 6, первичная обмотка 7 которого через дроссель 8 подключена к средней точке транзисторных ключей 1 и 2 и через фильтрующий конденсатор 9 к одному из выводов первичного источника питания 5, вторичные обмотки 10 через выпрямитель 11 и LC-фильтр 12 подключены к выводам для подключения нагрузки 13, последовательно соединенные дроссель 8 и первичная обмотка 7 трансформатора 6 шунтированы корректирующим конденсатором 14, выходные цепи транзисторных ключей 1 и 2 через элементы задержки 15 и 16 подключены к парафазным выходам блока управления 17, включающего в себя усилитель сигнала рассогласования 18, подключенный входами к выходу LC-фильтра 12 и источнику опорного напряжения 19, а выходом к фазо-импульсному модулятору 20, выход последнего через узел гальванической развязки 21 подключен к парафазным выходам блока управления 17. The device contains first 1 and second 2 transistor switches, shunted by on-board diodes 3 and 4, connected in series, connected to bipolar leads of the primary power source 5, transformer 6, the primary winding of which 7 through the inductor 8 is connected to the midpoint of transistor switches 1 and 2 and through a filtering capacitor 9 to one of the terminals of the primary power source 5, the secondary windings 10 through the rectifier 11 and the LC filter 12 are connected to the terminals for connecting the load 13, connected in series with the throttle Only 8 and the primary winding 7 of the transformer 6 are shunted by a correction capacitor 14, the output circuits of the transistor switches 1 and 2 are connected to the paraphase outputs of the control unit 17 through the delay elements 15 and 16, which includes a mismatch signal amplifier 18, connected by the inputs to the output of the LC filter 12 and the reference voltage source 19, and the output to the phase-pulse modulator 20, the output of the latter through the galvanic isolation node 21 is connected to the paraphase outputs of the control unit 17.

Цепь запуска 22 входом подключена к выводам первичного источника питания 5, а выходом к выводу питания блока управления 17. The start-up circuit 22 is connected by an input to the terminals of the primary power source 5, and by an output to the power terminal of the control unit 17.

Устройство работает следующим образом. В установившемся режиме на парафазных выходах блока управления 17 имеются импульсы управления (фиг. 2,а), которые попеременно отпирают транзисторные ключи 1 и 2 через элементы задержки 15 и 16. The device operates as follows. In the steady state, at the paraphase outputs of the control unit 17 there are control pulses (Fig. 2, a), which alternately unlock the transistor switches 1 and 2 through the delay elements 15 and 16.

Постоянная составляющая импульсов напряжения на транзисторах 1 и 2 выделяется фильтрующим конденсатором 9. The constant component of the voltage pulses on the transistors 1 and 2 is allocated by the filtering capacitor 9.

Переменная составляющая импульсов со вторичной обмотки 10 трансформатора 6 выпрямляется двухполупериодным выпрямителем 11 и сглаживается LC-фильтром 12. Выходное напряжение преобразователя поступает в нагрузку 13. Дроссель 8 позволяет формировать фронты импульсов тока в первичной обмотке 7, соизмеримые по длительности с периодом коммутации. Таким образом, ток в обмотке 7 протекает непрерывно (фиг. 2,д). В моменты запирания транзисторных ключей 1 и 2 ток обмотки замыкается через диоды 3 и 4. Поскольку включение транзисторов происходит с задержкой длительностью t₃ (фиг. 2,б), то в паузе, когда оба транзисторных ключа заперты, напряжение на их средней точке определяется колебательным процессом, формируемым конденсатором 14, дросселем 8 совместно с индуктивностью рассеяния обмотки 7. Напряжение на средней точке имеет вид трапецеидальных импульсов (фиг. 2,б). Параметры конденсатора 14 и дросселя 8 выбираются таким образом, чтобы включение транзисторов происходило в моменты, когда напряжение на них было близко к нулю. Очевидно что при этом коммутационные потери мощности практически отсутствуют.The variable component of the pulses from the secondary winding 10 of the transformer 6 is rectified by a half-wave rectifier 11 and smoothed by the LC filter 12. The output voltage of the converter is supplied to the load 13. The inductor 8 allows you to form the edges of the current pulses in the primary winding 7, comparable in duration with the switching period. Thus, the current in the winding 7 flows continuously (Fig. 2, d). At the moments when transistor switches 1 and 2 are locked, the winding current closes through diodes 3 and 4. Since the transistors are turned on with a delay of duration t ₃ (Fig. 2, b), then in a pause when both transistor switches are locked, the voltage at their midpoint is determined the oscillatory process formed by the capacitor 14, the inductor 8 together with the scattering inductance of the winding 7. The voltage at the midpoint has the form of trapezoidal pulses (Fig. 2, b). The parameters of the capacitor 14 and the inductor 8 are selected so that the inclusion of transistors occurred at times when the voltage on them was close to zero. It is obvious that at the same time switching power losses are practically absent.

Импульсы напряжения, снимаемые с вторичных обмоток 10 трансформатора 6, имеют прерывистый характер (фиг. 2,е). Пауза вызвана наличием дросселя 8 и конечным значением индуктивности рассеяния обмотки 7. Следует отметить, что даже в отсутствии дросселя 8 пауза имеет место в любом преобразователе. (Сивернс Р. и Блум Г. Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания. М. Энергоатомиздат, 1988, с. 97). The voltage pulses removed from the secondary windings 10 of the transformer 6 are intermittent (Fig. 2, e). The pause is caused by the presence of inductor 8 and the final value of the leakage inductance of the winding 7. It should be noted that even in the absence of inductor 8, a pause occurs in any converter. (Siverns R. and Bloom G. Pulse DC-DC converters for secondary power supply systems. M. Energoatomizdat, 1988, p. 97).

Импульсы напряжения поступают на двухполупериодный выпрямитель 11 и на LC-фильтр 12. На нагрузку 13 поступает напряжение U_н.Voltage pulses are fed to a half-wave rectifier 11 and to the LC filter 12. A voltage U _n is applied to load 13.

Введя обозначения: E напряжение первичного источника питания 5, U₉ напряжение на фильтрующем конденсаторе 9, γ относительная длительность (относительно периода коммутации T) включения транзисторного ключа 1, n коэффициент трансформации трансформатора 6 и пренебрегая незначительной паузой в импульсах напряжения на обмотках 10, для напряжения на нагрузке имеем

Поскольку постоянная составляющая напряжения на обмотке 7 трансформатора 6 равна нулю, то U₉=γE.Introducing the notation: E is the voltage of the primary power source 5, U _{9 is the} voltage across the filtering capacitor 9, γ is the relative duration (relative to the switching period T) of turning on the transistor switch 1, n is the transformation coefficient of transformer 6 and neglecting a slight pause in the voltage pulses on the windings 10, for voltage on load we have

Since the constant component of the voltage on the winding 7 of the transformer 6 is zero, then U ₉ = γE.

Тогда

Поскольку регулировочная характеристика преобразователя нелинейна (квадратична), то для обеспечения устойчивости в широком диапазоне изменения напряжения сети и тока нагрузки в усилителе сигнала рассогласования 18 используются известные цепочки частотной коррекции. Энергия в преобразователе передается в нагрузку практически непрерывно, и регулировочная пауза отсутствует. Это означает, что используется фазо-импульсная модуляция, причем устройство модулятора 20 аналогично известным модуляторам ШИМ.Then

Since the adjusting characteristic of the converter is non-linear (quadratic), to ensure stability in a wide range of changes in the mains voltage and the load current, the mismatch signal amplifier 18 uses known frequency correction chains. The energy in the converter is transferred to the load almost continuously, and there is no adjustment pause. This means that pulse-phase modulation is used, and the device of the modulator 20 is similar to the known PWM modulators.

Предлагаемый преобразователь по сравнению с известным имеет следующие преимущества:
максимальное напряжение на транзисторных ключах не превышает напряжения питания преобразователя, а токи в транзисторах распределяются более равномерно. Это повышает надежность преобразователя и эффективность использования транзисторов;
трансформатор содержит меньшее число витков в первичной обмотке и работает при меньших напряжениях и полном отсутствии тока подмагничивания, что повышает его КПД и КПД всего преобразователя;
последовательное включение дросселя с первичной обмоткой трансформатора позволяет существенно снизить его индуктивность и габариты;
непрерывный и монотонный характер изменения тока в первичной обмотке трансформатора снижает электромагнитные помехи, т.е. улучшает электромагнитную совместимость преобразователя с другими устройствами;
использование элементов позволило исключить логические схемы И с высоковольтными элементами и дополнительный узел запуска транзисторного ключа, что упрощает схему преобразователя.The proposed Converter in comparison with the known has the following advantages:
the maximum voltage on the transistor switches does not exceed the supply voltage of the converter, and the currents in the transistors are distributed more evenly. This increases the reliability of the converter and the efficiency of the use of transistors;
the transformer contains a smaller number of turns in the primary winding and operates at lower voltages and the complete absence of the magnetizing current, which increases its efficiency and the efficiency of the entire converter;
the series connection of the inductor with the primary winding of the transformer can significantly reduce its inductance and dimensions;
the continuous and monotonous nature of the change in current in the primary winding of the transformer reduces electromagnetic interference, i.e. improves electromagnetic compatibility of the converter with other devices;
the use of elements allowed to exclude AND logic circuits with high-voltage elements and an additional transistor switch trigger unit, which simplifies the converter circuit.

Если ток нагрузки преобразователя уменьшается, отклоняясь от номинального значения, то энергия, накапливаемая дросселем 8, уменьшается, что приводит к возрастанию длительности фронта импульса напряжения. При снижении тока ниже определенного предела очередное включение транзистора произойдет в момент, когда напряжение на нем не успевает уменьшиться до нуля. Это вызывает появление коммутационных потерь мощности. Однако поскольку потери возникают лишь при малых токах нагрузки, они остаются незначительными, не ухудшая КПД преобразователя. If the load current of the converter decreases, deviating from the nominal value, then the energy accumulated by the inductor 8 decreases, which leads to an increase in the duration of the voltage pulse front. When the current drops below a certain limit, the next turn on of the transistor will occur at a time when the voltage on it does not have time to decrease to zero. This causes switching power losses. However, since losses occur only at low load currents, they remain negligible without compromising the efficiency of the converter.

Поэтому упрощение схемы, достигаемое исключением логических схем И является оправданным. Therefore, the simplification of the circuit achieved by the exclusion of logical circuits AND is justified.

Предложенное техническое решение проверялось на макетном образце преобразователя напряжения с выходной мощностью 50 Вт. Электропитание преобразователя осуществляется от выпрямленного напряжения промышленной сети переменного тока. Экспериментальные исследования подтвердили практически полное устранение коммутационных потерь в широком диапазоне изменения тока нагрузки и отсутствие выброса пускового тока (что достигается обычным методом "мягкого" пуска). The proposed technical solution was tested on a prototype of a voltage converter with an output power of 50 watts. The converter is powered from the rectified voltage of an industrial AC network. Experimental studies have confirmed the almost complete elimination of switching losses in a wide range of load current and the absence of inrush current (which is achieved by the usual method of "soft" start).

Высокая эффективность преобразования позволила практически отказаться от радиаторов охлаждения транзисторов. High conversion efficiency allowed to practically abandon transistor cooling radiators.

Claims (1)

Стабилизированный преобразователь напряжения, содержащий первый и второй последовательно соединенные транзисторные ключи, шунтированные встречно включенными диодами и подключенные к разнополярным выводам первичного источника питания, трансформатор, выходные обмотки которого через двухполупериодный выпрямитель подключены к LС-фильтру, выход которого соединен с выводами для подключения нагрузки, блок управления, первый вход которого соединен с выходом LС-фильтра, цепь запуска, входом подключенную к выводам первичного источника питания, а выходом к второму входу блока управления, корректирующий конденсатор и дроссель, причем первый вывод корректирующего конденсатора соединен с первым выводом первичной обмотки трансформатора, а второй вывод корректирующего конденсатора подключен к первому выводу дросселя, и фильтрующий конденсатор, первый вывод которого подключен к точке соединения корректирующего конденсатора и первичной обмотки трансформатора, управляющие входы транзисторных ключей подключены через элементы задержки к парафазным выходам блока управления, отличающийся тем, что второй вывод фильтрующего конденсатора подключен к одному из выводов первичного источника питания, вторые выводы первичной обмотки трансформатора и дросселя объединены, общая точка дросселя и корректирующего конденсатора подключена к точке соединения транзисторных ключей, а блок управления содержит последовательно соединенные усилитель сигнала рассогласования, первый вход которого является первым входом блока управления, а ко второму входу подключен источник опорного налряжения, фазо-импульсный модулятор и узел гальванической развязки, выходы которого использованы в качестве парафазных выходов блока управления. A stabilized voltage converter containing the first and second series-connected transistor switches, shunted by counter-connected diodes and connected to the bipolar terminals of the primary power source, a transformer whose output windings are connected through a half-wave rectifier to an LC filter, the output of which is connected to the terminals for connecting the load, the unit control, the first input of which is connected to the output of the LC filter, a start-up circuit connected to the terminals of the primary source of power by an input and, with an output to the second input of the control unit, a correction capacitor and a choke, the first output of the correction capacitor connected to the first output of the primary winding of the transformer, and the second output of the correction capacitor connected to the first output of the inductor, and a filter capacitor, the first output of which is connected to the connection point correction capacitor and the primary winding of the transformer, the control inputs of the transistor switches are connected via delay elements to the paraphase outputs of the control unit, from characterized in that the second output of the filtering capacitor is connected to one of the terminals of the primary power source, the second terminals of the primary winding of the transformer and inductor are combined, the common point of the inductor and the correction capacitor is connected to the junction point of the transistor switches, and the control unit contains a mismatch signal amplifier, the first the input of which is the first input of the control unit, and the reference voltage source, phase-pulse modulator and galvanic isolation, which outputs are used as paraphase output control unit.

Images