квазирезонансный преобразователь постоянного напряжения с переключением при нулевом напряжении

Формула изобретения

Квазирезонансный преобразователь постоянного напряжения с переключением при нулевом напряжении, содержащий подключенные параллельно первому и второму входным выводам преобразователя первый конденсатор, первую цепь, состоящую из первой первичной обмотки трансформатора и силового ключа, и вторую цепь из первого и второго резисторов, точка соединения последних подключена к управляющему входу силового ключа, к выходу транзисторного управляющего ключа и через последовательно соединенные третий резистор и второй конденсатор к первому выводу второй первичной обмотки трансформатора, второй вывод которой подключен ко второму входному выводу преобразователя, к которому подключены вход транзисторного управляющего ключа, и через третий конденсатор - управляющий вход последнего, вторичная обмотка трансформатора через выпрямитель и фильтр подключена к выходным выводам преобразователя, отличающийся тем, что введены третья и четвертая цепи, содержащие соответственно четвертый резистор и первый диод, и пятый резистор и второй диод, включенный встречно первому диоду, при этом первые выводы третьей и четвертой цепей объединены и подключены к первому выводу второй первичной обмотки трансформатора, вторые выводы их объединены и подключены к управляющему входу транзисторного управляющего ключа.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано во вторичных источниках питания.

Известен квазирезонансный преобразователь напряжения с переключением при нулевом напряжении, содержащий подключенные параллельно первому и второму входным выводам первый конденсатор, первую цепь из первой первичной обмотки трансформатора, силового ключа, шунтированного вторым конденсатором, и первого резистора, и вторую цепь из второго и третьего резисторов и управляющего транзисторного ключа, управляющий вход которого подключен через четвертый резистор к точке соединения силового ключа и первого резистора, к которой подключен первый вывод третьего конденсатора, второй вывод которого подключен к управляющем входу силового ключа, к точке соединения третьего резистора и управляющего транзисторного ключа и через встречно включенный диод - ко второму входному выводу, к которому подключен первый вывод второй первичной обмотки трансформатора, второй вывод которой через четвертый конденсатор подключен к точке соединения второго и третьего резисторов, при этом вторичная обмотка трансформатора через выпрямитель и фильтр подключена к выходным выводам. /См. п. RU № 2109394, H02M 3/335, 1994 г./ Недостатком известного преобразователя является недостаточная надежность из-за зависимости выходной мощности от изменения температуры на управляющем транзисторе и от изменения входного напряжения.

Известен источник питания, содержащий подключенные параллельно к первому и второму входным выводам последовательно соединенные первый и второй резисторы, и цепь из первой первичной обмотки трансформатора и силового ключа, управляющий вход которого через третий резистор подключен к точке соединения первого и второго резисторов, к которой подключен через управляющий транзисторный ключ, шунтированный встречно включенным диодом, второй входной вывод, к которому через первый конденсатор подключен управляющий вход управляющего транзисторного ключа, к которому подключен первый вывод четвертого резистора, ко второму выводу которого подключены через последовательно соединенные второй конденсатор и пятый резистор точка соединения первого и второго резисторов и первый вывод второй первичной обмотки трансформатора, второй вывод которой подключен ко второму входному выводу, при этом вторичная обмотка трансформатора подключена через выпрямитель и фильтр к выходным выводам источника питания. /См. п. EP № 1626490, H02M 3/35, 2007 г./

Недостатком источника питания является недостаточная надежность, обусловленная перегрузками на силовом ключе и выпрямителе, а также существенная зависимость максимальной выходной мощности от изменения температуры на управляющем транзисторе.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является источник питания, содержащий мостовой выпрямитель и квазирезонансный преобразователь постоянного напряжения, первый и второй входы мостового выпрямителя являются соответственно первым и вторым входами источника питания, первый и второй выходы его подключены соответственно к первому и второму входам квазирезонансного преобразователя постоянного напряжения, состоящего из подключенных параллельно первому и второму входам квазирезонансного преобразователя постоянного напряжения первого конденсатора, цепи из первой первичной обмотки трансформатора и силового ключа, и последовательно соединенные первый и второй резисторы, точка соединения которых подключена - к управляющему входу силового ключа, к выходу управляющего транзисторного ключа, к первому выводу второго конденсатора, второй вывод которого через третий резистор и вторую первичную обмотку трансформатора подключен ко второму входу преобразователя, к которому подключены вход управляющего транзисторного ключа и первый вывод третьего конденсатора, второй вывод которого подключен к управляющему входу управляющего транзисторного ключа и через четвертый резистор и оптрон, свободный ввод которого подключен к управляющему входу силового ключа, - к выходам квазирезонансного преобразователя, к которым подключена через выпрямитель и фильтр вторичная обмотка трансформатора. /См. п. US № 6868193, НКИ 363-15, 2006 г./

Недостатком данного преобразователя является недостаточная надежность из-за перегрузок на силовом ключе и выпрямителе, а также из-за существенной зависимости выходной мощности от изменения температуры на управляющем транзисторном ключе квазирезонансного преобразователя постоянного напряжения.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности за счет снижения перегрузки на силовом ключе и выпрямителе.

Результат достигается тем, что в квазирезонансный преобразователь постоянного напряжения с переключением при нулевом напряжении, содержащий подключенные параллельно первому и второму входным выводам преобразователя первый конденсатор, первую цепь, состоящую из первой первичной обмотки трансформатора и силового ключа, и вторую цепь из первого и второго резисторов, точка соединения последних подключена к управляющему входу силового ключа, к выходу транзисторного управляющего ключа и через последовательно соединенные третий резистор и второй конденсатор к первому выводу второй первичной обмотки трансформатора, второй вывод которой подключен ко второму входному выводу преобразователя, к которому подключены вход транзисторного управляющего ключа, и через третий конденсатор - управляющий вход последнего, вторичная обмотка трансформатора через выпрямитель и фильтр подключена к выходным выводам преобразователя, введены третья и четвертая цепи, содержащие соответственно четвертый резистор и первый диод, и пятый резистор и второй диод, включенный встречно первому диоду, при этом первые выводы третьей и четвертой цепей объединены и подключены к первому выводу второй первичной обмотки трансформатора, вторые выводы их объединены и подключены к управляющему входу транзисторного управляющего ключа.

Анализ известных технических решений из научно-технической и патентной литературы позволяет сделать вывод, что на настоящее время неизвестно техническое решение, содержащее совокупность существенных признаков, что и в предложенном техническом решении.

Использование совокупности признаков, отличающих заявляемое техническое решение от известных при изучении данной и смежной областей раздела техники преобразования постоянного напряжения с той же целью, не выявлено, что обеспечивает заявляемому техническому решению соответствие критерию «существенные отличия» /см. а.с. СССР № 1836705, H02M 3/335, 1992, п. РФ № 1820466, H02M 3/335, 1991, п. РФ № 2076444, H02M 3/335, 1997, п. РФ № 2396684, H02M 3/335, 2009, п. US № 5126931, НКИ 363-21, 1992, п. US № 6816393, НКИ 363-21.23, 2004/.

На чертеже представлена электрическая схема квазирезонансного преобразователя постоянного напряжения с переключением при нулевом напряжении.

Квазирезонансный преобразователь постоянного напряжения с переключением при нулевом напряжении содержит первый 1 ₁ и второй 1₂ входные выводы преобразователя, к которым подключены параллельно первый 2 конденсатор, первая цепь из первой 3₁ первичной обмотки трансформатора 3 и силового 4 ключа, вторая цепь из первого 5 и второго 6 резисторов, точка соединения которых подключена к управляющему входу силового 4 ключа, к выходу транзисторного 7 управляющего ключа, и через последовательно соединенные третий 8 резистор и второй 9 конденсатор - к объединенным первым выводам третьей и четвертой цепей, состоящих соответственно из последовательно соединенных четвертого 10 резистора и первого 11 диода и пятого 13 резистора и второго 14 диода, включенного встречно первому 11 диоду, к первому выводу второй 3₂ первичной обмотки трансформатора 3, второй вывод которой подключен ко второму 1₂ входному выводу, к которому подключены вход управляющего 7 транзисторного ключа, первый вывод третьего 12 конденсатора, второй вывод которого подключен к управляющему входу транзисторного 7 ключа, к объединенным вторым выводам третьей и четвертой цепей, при этом вторичная 3₃ обмотка трансформатора 3 подключена через выпрямитель 15 и фильтр 16 к первому 17₁ и второму 17₂ выходным выводам.

В качестве силового 4 ключа может быть использован МОП-транзистор, в качестве выпрямителя 15 - диод, а в качестве фильтра 16 - конденсатор.

Квазирезонансный преобразователь постоянного напряжения работает следующим образом.

В исходном состоянии ток в обмотках 3₁ и 3₂ трансформатора 3 отсутствует, силовой 4 ключ заперт. При подаче входного напряжения V₁ происходит заряд второго 9 конденсатора по цепи: первый 1 ₁ входной вывод, первый 5 резистор, третий 8 резистор, второй 9 конденсатор, вторая 3₂ первичная обмотка трансформатора 3, второй 1₂ входной вывод и заряд емкости затвора силового 4 ключа через первый 5 резистор до порогового значения напряжения на затворе. В этот момент начинается отпирание силового 4 ключа, в результате на первой 3₁ первичной обмотке трансформатора 3 появится напряжение. Благодаря наличию магнитной связи на второй 3₂ первичной обмотке трансформатора 3 появится напряжение положительной полярности V_3-2 , что приведет к лавинообразному открыванию ключа 4. За время открытого состояния силового 4 ключа (время t_on) происходит линейное нарастание тока и накопление энергии в индуктивности первой 3₁ обмотки трансформатора 3, при этом происходит заряд третьего 12 конденсатора от второй 3₂ обмотки трансформатора 3 через четвертый 10 резистор и первый 11 диод. При достижении напряжения на конденсаторе 12 уровня V₁₂ открывания транзисторного управляющего 7 ключа последний открывается и запирает силовой 4 ключ. Далее происходит смена полярности на обмотках трансформатора 3, открывается диод выпрямителя 15 и идет передача энергии, накопленной за время открытого состояния силового 4 ключа из трансформатора 3 в конденсатор фильтра 16 и в нагрузку на выходе 17₁-17₂. Одновременно с этим от второй 3₂ обмотки напряжением обратной полярности V_3-2о, пропорциональным выходному напряжению V ₁₇, происходит перезаряд третьего 12 конденсатора (через второй 14 диод и пятый 13 резистор четвертой цепи) до уровня V_12o и второго 9 конденсатора, напряжение которого обеспечит открывание силового 4 ключа в начале следующего периода. Начало следующего периода наступает после передачи всей энергии из трансформатора (время t_off) и завершения резонансного процесса разряда емкости сток-исток силового 4 ключа до нуля (время t_res). В следующем периоде время t_on заряда третьего 12 конденсатора будет определяться суммой порогового V₁₂ и начального напряжения V_12o обратной полярности, пропорционального выходному напряжению.

где: V_3-2 - напряжение на обмотке 3₂ трансформатора 3

V₁₂ - напряжение на конденсаторе 12 при открытом транзисторном управляющем ключе 7,

V_12o - напряжение на конденсаторе 12 обратной полярности,

C₁₂ - емкость конденсатора 12,

R₁₀, R₁₃ - соответственно сопротивление резисторов 10 и 13,

V₁₅ - напряжение на диоде 15

V _3-2о - напряжение обратной полярности на обмотке 3 ₂

t_on - время открытого состояния силового ключа 4,

t_off - время передачи энергии во вторичную 3₃ обмотку трансформатора 3,

t_res - время резонансного процесса разряда емкости сток-исток транзистора силового 4 ключа,

W_3-1, W_3-2, W_3-3 - соответственно число витков первой 3₁, второй 3₂ первичных и вторичной 3₃ обмоток трансформатора 3.

Таким образом, при определенном соотношении витков второй 3 ₂ первичной обмотки (обмотки управления) трансформатора 3 W_3-2 к W_3-1 и W_3-3, выбором номиналов резисторов 10 и 13 можно задавать максимальную мощность на выходе, не зависящую от входного напряжения. А при увеличении тока нагрузки до максимального значения, определенного выбранной максимальной мощностью, происходит снижение напряжения на выходе V₁₇ и, следовательно, снижение напряжения V_12o на конденсаторе 12, формируя таким образом выходную характеристику с постоянным максимальным током, что значительно повышает надежность преобразователя напряжения. При этом сумма V₁₂ и V _12o в малой степени зависит от температуры на транзисторном 7 ключе, что обеспечивает надежность работы его и силового ключа 4.