Двотактний перетворювач напруги

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах вторичного электропитания и автоматики. Наиболее близким к предлагаемому является двухтактный инвертор, выполненный со средней точкой в выходном трансформаторе и принятый за прототип. Известный двухтактный инвертор имеет две блокирующие обмотки, подключенные через цепочки из последовательно включенных диодов и резисторов, зашунтированных конденсаторами к базам блокирующих транчисторов, коллекторы которых подключены к базам коммутирующих транзисторов, силовые электроды которых включены в цепях эмиттеров силовых транзисторов. При изменении напряжений на вторичных обмотках управляющего трансформатора, блокирующий транзистор плеча, противоположного запирающемуся транзистору, находится в открытом состоянии и исключает подачу отпирающего напряжения до момента спадания тока запирающегося транзистора, чем исключаются сквозные токи через силовые транзисторы, причем задержка отпирания открывающегося транзистора осуществляется автоматически. Однако в известном техническом решении токи баз силовых транзисторов выбираются из условия обеспечения их насыщенного состояния при максимальном токе нагрузки. При значительном уменьшении тока нагрузки коммутирующие транзисторы оказываются в режиме глубокого насыщения, в связи с чем увеличивается время рассасывания избыточных носителей в цепях без коммутирующих транзисторов при подаче запирающего напряжения, что приводит к увеличению времени выключения всего транзисторного ключа, т.к. этап запирания силового транзистора следует после запирания коммутирующего транзистора. На промежуток времени запирания транзисторного ключа в устройстве-прототипе формируется пауза, после которой отпираются транзисторы противоположного плеча. Причем эта пауза должна быть значительно меньше половины периода преобразуемой частоты, т.е. ограничивает увеличение частоты преобразования. Задачей изобретения является повышение КПД путем улучшения условий переключения, уменьшения потерь мощности, потребляемой от источника управляющих напряжений при изменяющейся нагрузке и температуре. Указанная задача достигается тем, что в двухтактном преобразователе напряжения, содержащем два силовых транзистора, каждый из которых по цепи эмиттера соединен с первым входным выводом, коллектором -с соответствующим первым выводом половины первичной обмотки выходного трансформатора, управляющий трансформатор, дополнительные обмотки в выходном трансформаторе, конденсаторы и диоды, причем каждая из упомянутых дополнительных обмоток выходного трансформатора подключена одним из своих выводов к выходу источника напряжения управления, а другим выводом через диод к соответствующему выводу обмотки управления управляющего трансформатора, а фазировка выводов каждой дополнительной обмотки выходного трансформатора и направление включения разделительного диода соответствуют отрицательной обратной связи входа и выхода каждого транзисторного ключа, обмотка управления управляющего трансформатора соединена своими выводами с парафазными выводами источника однополярных импульсов напряжения через параллельно включенные RCD-цепочки, между выводами обмотки управления и общим выводом источника однополярных импульсов напряжения управления включены диоды в обратном направлении, каждая базовая обмотка управляющего трансформатора подключена к база-эмиттерному переходу соответствующего силового транзистора и зашунтирована резистором, крайние выводы первичной обмотки управляющего трансформатора подключены ко вторым выводам первичной обмотки выходного трансформатора и образуют положительную обратную связь, а средний вывод первичной обмотки управляющего трансформатора подключен ко второму входному выводу. Существенным отличием предлагаемого технического решения является автоматическое поддержание оптимальной степени насыщения силового транзистора в широком диапазоне изменения нагрузки, способствующее уменьшению времени запирания силового транзистора, уменьшению потерь мощности, что увеличивает КПД и позволяет увеличивать частоту преобразования по сравнению с устройством-прототипом, в котором при уменьшении нагрузки увеличиваются просечки коллекторного тока, вызванные увеличением задержки отпирания одного транзисторного ключа на величину времени запирания другого коммутирующего транзистора, увеличивающие динамические потери и ограничивающие допустимые частоты преобразования. Кроме того, в предлагаемом техническом решении уменьшена мощность, потребляемая от источника управляющих напряжений вследствие действия положительной обратной связи по току в отличие от устройства-прототипа, где отсутствует обратная связь по току и, кроме того, существуют дополнительные потери в цепях блокирующих транзисторов. В предлагаемом техническом решении изменена фазировка дополнительных обмоток выходного трансформатора по сравнению с устройством - прототипом, поэтому эти обмотки выполняют иную функцию - эффективное шунтирование управляющей обмотки управляющего трансформатора в моменты запирания силового транзистора, что уменьшает падение напряжения на этой обмотке, улучшает управляемость силовыми транзисторами и позволяет поэтому расширить диапазон преобразуемых мощностей в сторону больших мощностей. При повышенных температурах в устройствепрототипе возможно возникновение явления "самооткрывания" вследствие наличия остаточного заряда неосновных носителей в пассивных областях баз коммутирующих транзисторов, что снижает КПД инвертора. В предлагаемом техническом решении явление "самооткрывания" исключается конденсаторами, шунтирующими диодно-резисторные цепочки в цепях парафазных выходов источника одно-полярных управляющих импульсов, поэтому избыточный заряд в цепях баз силовых транзисторов рассеивается полностью и снижения КПД при повышенных температурах не происходит. Сущность изобретения поясняется чертежом, изображенным на фиг. 1, и временными характеристиками, изображенными на фиг. 2. Двухтактный преобразователь напряжения содержит силовые транзисторы 1 и 2, эмиттеры которых объединены и подключены к первому входному выводу, коллекторы подключены к концам первичной обмотки 3 выходного трансформатора 4. Базы транзисторов 1 и 2 подключены к концам базовой обмотки S управляющего трансформатора 6, средний вывод которой подключен к первому входному выводу. Первичная обмотка 7 управляющего трансформатора 6 крайними выводами подключена к разноименным выводам первичной обмотки 3 трансформатора 4, а средний вывод обмотки 7 подключен ко второму входному выводу. Базо-эмиттерные переходы транзисторов 1 и 2 зашунтированы резисторами 8 и 9. Управляющая обмотка 10 управляющего трансформатора 6 крайними выводами подключена через резисторы 11 и 12, зашунтированные диодами 13 и 14 к парафазным выходам источника однополярных импульсов 17, общий вывод которого подключен через диоды 18 и 19 к крайним выводам управляющей обмотки 10 трансформатора 6. Дополнительные обмотки 20 и 21 выходного трансформатора 4 через диоды 22 и 23 подключены к упомянутым цепочкам из резисторов 11 и 12V диодов 13 и 14 и конденсаторов 15 и 16. Между коллекторами силовых транзисторов 1 и 2 подключена цепочка из последовательно включенных резистора 24 и конденсатора* 25. Вторичная обмотка выходного трансформатора 4 крайними выводами подключена через диоды 27 и 28 к одному из выводов нагрузки 29. Средний вывод обмотки 26 трансформатора 4 подключен к другому выводу нагрузки 29. Средний вывод обмотки 26 трансформатора 4 подключен к другому выводу нагрузки 29. Нагрузка 29 зашунтирована конденсатором 30. Двухтактный преобразователь работает следующим образом. Прямоугольные импульсы напряжения поступают с парафазных выходов источника управляющих напряжений 17 через резисторы 11 и 12 на выводы обмотки управления 10 управляющего трансформатора 6. Предположим, что на верхнем выводе источника управляющих импульсов существует плюс, а на нижнем выводе напряжение равно нулю. Управляющий ток при этом протекает по цепи: верхний вывод источника управляющих напряжений 17, резистор 11, обмотка 10 трансформатора 6, проводящий диод 14, нижний выход источника управляющего напряжения 17, Диоды 18 и 19,23 находятся в непроводящем состоянии. Диод 22 находится в непроводящем состоянии, т.к. падение напряжения на резисторе 11 превышает напряжение на обмотке 20 трансформатора 4. Транзистор 1 регенеративно отпирается благодаря действию положительной обратной связи первичной обмотки 7 управляющего трансформатора 6. На обмотках трансформатора 4 наводятся напряжения с полярностью, указанной без скобок. В момент времени ц (фиг, 2) происходит перемена полярности на выходах источника управляющих напряжений 17 (полярность в скобках). Вследствие инерционности запирания транзистора 1, он остается в открытом состоянии, поэтому полярности напряжений на обмотках трансформаторов 4 и 6 сохраняются неизменными, диоды 22 и 19 переходят в проводящее состояние и обмотка 20 трансформатора 4 оказывается подключенной через проводящий диод 2 к резистору 11 и к обмотке 10 трансформатора 6. Причем напряжения обмотки 20 трансформатора 4 и обмотки 10 трансформатора 6 приложены встречно друг к другу, т.е. обмотка 10 трансформатора 6 оказывается замкнутой накоротко с падением напряжения на ней, близким к нулю. Конденсатор 15 в предыдущий промежуток времени t1—t0 оказывается заряженным до напряжения, равного разности напряжений на верхнем выводе источника управляющих напряжений U1 и напряжения обмотки 10 (U10) трансформатора 6 падением напряжения на диоде 14 и на элементах нижнего выхода источника управляющих напряжений 17 пренебрегаем). Напряжение обмотки 20 трансформатора 4, приложенное через проводящий диод 22 препятствует разряду конденсатора 15. Происходит быстрый разряд активной области базы транзистора 1 и, следовательно, спад коллекторного тока, приводящий к перемене полярности напряжений на Обмотках выходного трансформатора 4. Диод 22 переходит в непроводящее состояние. Таким образом разрывается цепь отрицательной обратной связи обмотки 20 трансформатора 4 и обмотки 10 трансформатора 6. Шунтирование обмотки 10 трансформатора 6 однако продолжается на промежуток времени разряда конденсатора 15 на резистор 11 и обмотку 10 трансформатора 6. Заряд емкости равен где U20, UD22 - напряжения обмотки 20 и падение напряжения на проводящем диоде 22 соответственно; U15 - напряжение на емкости 15; C15 - емкость конденсатора 15; Qa0 - заряд активной области базы транзистора 1. Приведенное к управляющей обмотке сопротивление резистора 8 где n = w5/w10 - отношение числа витков обмоток 5 и 10 трансформатора б. Приведенный к обмотке 10 трансформатора 6 заряд базы транзистора 1 находится из соотношения где t=tа+tп - средняя для базы величина эффективного времени жизни неосновных носителей, равная сумме времен жизни в активной области базы tа и tп пассивной области базы tп. При где Сдиф.эб1 - диффузионная емкость эмиттерного перехода транзистора 1, происходит полное рассасывание неосновных носителей в базовой области транзистора 1, соответствующее отсутствию импульса коллекторного тока самооткрывания. Цепочка из конденсатора 25 и резистора 24 уменьшает всплески напряжения на обмотке 3 трансформатора 4, обусловленные энергией, накопленной на индуктивности рассеяния. Через диод 22 протекает ток обмотки 10 трансформатора 6 (током через резистор 11 пренебрегаем ввиду его малости, так как сопротивление резисторов 11 и 16 выбираются из условия функционирования преобразователя в режиме холостого хода), где Uw20 - напряжение на обмотке 20 трансформатора 4; UD22 - падение напряжения на проводящем диоде 22; W 0 - активное сопротивление обмотки 10 трансформатора 6; rL19 - сопротивление проводящего диода 19; U15 - напряжение заряженного конденсатора 15. Ток нагрузки, приведенный к обмотке 10 трансформатора 6 где І 7 - ток через токовую обмотку 7 трансформатора 6; W 7 - число витков половины обмотки 7 трансформатора 6; W 10 - число витков обмотки 10 трансформатора 6; Н6, І 6 - намагничивающая сила и длина средней силовой линии сердечника трансформатора 6. После полного запирания транзистора 1 (момент времени та), диод 19 переходит в непроводящее состояние и положительное напряжение относительно первого входного вывода с нижнего вывода источника управляющих напряжений прикладывается через резистор 12 к нижнему выводу обмотки 10 трансформатора 6, диод 13 переходит в непроводящее состояние и происходит регенеративное (вследствие наличия положительной обратной связи обмотки 3 трансформатора 4 и обмотки 4 трансформатора 6)отпирание транзистора 2. При этом обеспечивается малая избыточность базового тока транзистора 2, совместно с малыми статическими потерями на нем. В следующий полупериод процессы протекают аналогично: открывается диод 23, происходит быстрый разряд активной области базы, спад коллекторного тока транзистора 2, перемена полярности на обмотках трансформатора 4, запирание диода 23 и дальнейший разряд пассивной области базы транзистора 2 энергией заряженного конденсатора 16. Таким образом в предлагаемом преобразователе напряжения значительно снижена мощность, потребляемая от источника управляющих напряжений, обеспечивается малая избыточность базового тока отпертого транзистора, предопределяющая малые статические и динамические потери в широком диапазоне изменения тока нагрузки, исключено явление "самооткрывания", что, в совокупности, обеспечивает высокое значение коэффициента полезное действия и расширяет диапазон преобразуемых мощностей при высоких частотах преобразования. На основе предлагаемого преобразователя выполнены вторичные источники питания, изготавливаемые промышленностью и входящие в состав системы питания цифровой системы передачи информации.