PL 217306 B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 217306 (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: 387605 (22) Data zgłoszenia: 25.03.2009 (51) Int.Cl. H02M 3/24 (2006.01) H02M 3/335 (2006.01) H02M 7/12 (2006.01) (54) Prostownik synchroniczny LLC oraz zasilacz komputerowy standardu ATX (43) Zgłoszenie ogłoszono: 27.09.2010 BUP 20/10 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 31.07.2014 WUP 07/14 (73) Uprawniony z patentu: AZO DIGITAL SPÓŁKA Z OGRANICZONĄ ODPOWIEDZIALNOŚCIĄ, Gdańsk, PL (72) Twórca(y) wynalazku: PIOTR ADAMOWICZ, Sopot, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Jacek Czabajski
2 PL 217 306 B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest samosterujący się prostownik synchroniczny przeznaczony do przetwornicy LLC, stanowiący urządzenie do przekształcania energii wejściowej prądu przemiennego na energię wyjściową prądu stałego oraz zasilacz komputerowy standardu ATX zawierający wymieniony prostownik. W skład znanych układów przetwornicy rezonansowej LLC wchodzą zwykłe dwa tranzystory unipolarne z izolowaną bramką i kanałem typu N MOSFET oraz zintegrowany transformator rezonansowy w skład, którego wchodzi uzwojenie pierwotne o indukcyjnościach Lm i Lr oraz uzwojenia wtórne I, II oraz kondensator rezonansowy. Po stronie uzwojeń wtórnych transformatora rezonansowego, w skład prostownika diodowego wchodzą w znanych rozwiązaniach wchodzą zwykłe dwie diody prostownicze. W opisanym znanym rozwiązaniu dwa uzwojenia wtórne transformatora rezonansowego TR1 połączone ze sobą oraz kondensatorem i obciążeniem wyjściowym. Pierwsze uzwojenie wtórne transformatora Tr1 połączone jest z katodą pierwszej diody prostowniczej, zaś drugie uzwojenie wtórne transformatora Tr1 połączone jest z katodą drugiej diody prostowniczej. Anody pierwszej i drugiej diody prostowniczej połączone są ze sobą oraz kondensatorem i obciążeniem wyjściowym. W przetwornicach LLC w uzwojeniach wtórnych transformatora Tr1 płynie prąd sinusoidalnie zmienny, który w rozwiązaniach znanych ze stanu techniki prostowany jest przez pierwszą i drugą diodę prostowniczą, ładując kondensator wyjściowy i zasilając obciążenie wyjściowe. W rozwiązaniu znanym z opisu patentowego USA nr US 2006/018 786 przedstawiono szeregową przetwornicę rezonansową LLC oraz sposób synchronicznego prostowania prądu za pomocą przełączników mocy. Szeregowa przetwornica rezonansowa LLC zawiera obwód mostka, obwód rezonansowy, transformator, obwód prostownika oraz kontroler częstotliwości. Obwód mostka zawiera przynajmniej jedną parę kluczy w postaci tranzystorów mocy. Tranzystory mocy sterują w tym znanym rozwiązaniu obwodem rezonansowym. Obwód prostowniczy zawiera przynajmniej jedną parę kluczy pracujących jako prostowniki synchroniczne. Prostowniki synchroniczne mocy i przełączniki mocy są komplementarne. Kontroler częstotliwości dostarcza sygnału sterującego do synchronicznego prostownika mocy, w odpowiedzi na częstotliwość pracy przetwornicy LLC i częstotliwość obwodu rezonansowego, w celu implementacji synchronicznego prostowania w przetwornicy LLC. W kolejnym rozwiązaniu znanym z koreańskiego opisu patentowego nr KR 100 730 088, obwód prostownika synchronicznego typu rezonansowego LLC zapewnia sterowanie synchronicznym prostownikiem poprzez stabilizowanie ustawienia czasu martwego oraz kontrolowanie załączenia/wyłączenia prostowników synchronicznych za pomocą zewnętrznego obwodu logicznego. Według tego znanego rozwiązania, obwód synchronicznego prostownika przetwornicy LLC zawiera transformator, pierwszy prostownik synchroniczny i drugi prostownik synchroniczny. Transformator składa się z uzwojenia pierwotnego zawierającego zwoje pierwotne oraz część wtórną zawierającą uzwojenie wtórne indukujące napięcie pierwotne do wtórnego. Pierwszy i drugi prostownik synchroniczny prostuje wtórne napięcie transformatora. Sterownik synchronicznego prostownika jest podłączony do wtórnego uzwojenia transformatora, zawiera transformator prądowy i obwód sterujący, który załącza i wyłącza pierwszy i drugi prostownik synchroniczny na zmianę, poprzez sterowanie załączeniem i wyłączeniem pierwszego i drugiego prostownika synchronicznego. Część synchronicznego prostownika zawiera pierwszy i drugi prostownik synchroniczny i prostuje wtórne napięcie poprzez załączanie prostownika synchronicznego. Według kolejnego rozwiązania, przedstawionego w opisie publikacji zgłoszenia międzynarodowego nr WO 03/084 037, impulsowa przetwornica mocy dostarczająca moc wyjściową do obciążenia, zawiera urządzenie przełączające, posiadające impulsowy obwód wejściowy, obwód wyjściowy i kontrolę wejścia dla zapewnienia lub uniemożliwienia przełącznikowi przewodzenia prądu z impulsowego wejścia do impulsowego wyjścia. Konwerter zawiera również sieć, w której wejście i wyjście urządzenia impulsowego i obciążenie są podłączone razem w obwodzie. Przetwornica posiada także obwód napięcia sterującego w obwodzie wytwarzającym napięcie sterujące odwzorowujące moc wyjściową i obwód sterowania. Obwód sterowania służy określeniu wskaźnika zmian napięcia sterującego, określeniu współczynnika zmian oraz sprawdzaniu sygnału wejściowego z zadaną charakterystyką. Według wynalazku, prostownik synchroniczny LLC zawiera transformator, dwie diody półprzewodnikowe, rezystory, dwa kondensatory oraz dwa tranzystory unipolarne z izolowaną bramką i z kanałem typu N-MOSFET.
PL 217 306 B1 3 Według wynalazku, prostownik charakteryzuje się tym, że transformator zawiera na stronie wtórnej dwa dodatkowe uzwojenia sterujące, przy czym te uzwojenia sterujące transformatora połączone są ze sobą oraz z dwoma parami rezystorów, oraz ze źródłami sterowanych napięciowo dwóch tranzystorów i z wyjściowym kondensatorem, z którego napięcie podawane jest na wyjściowe obciążenie. Jedno uzwojenie sterujące transformatora połączone jest z pierwszą diodą półprzewodnikową, zaś drugie uzwojenie sterujące transformatora połączone jest z drugą diodą półprzewodnikową. Pierwsza dioda półprzewodnikowa połączona jest z pierwszym rezystorem z pierwszej pary rezystorów oraz z pierwszym kondensatorem, natomiast druga dioda półprzewodnikowa połączona jest drugim rezystorem z pierwszej pary rezystorów oraz z drugim kondensatorem. Pierwszy kondensator połączony jest z pierwszym rezystorem z drugiej pary rezystorów i z bramką pierwszego tranzystora, zaś drugi kondensator połączony jest z drugim rezystorem z drugiej pary rezystorów i bramką drugiego tranzystora. Pierwsze uzwojenie wtórne transformatora połączone jest natomiast z drenem pierwszego tranzystora, zaś drugie uzwojenie wtórne transformatora połączone jest z drenem drugiego tranzystora. Oba uzwojenia wtórne transformatora połączone są ze sobą oraz z trzecim kondensatorem wyjściowym i z obciążeniem wyjściowym. Zgodnie z wynalazkiem, pierwszy i drugi tranzystor po stronie wtórnej transformatora korzystnie stanowią sterowane napięciowo tranzystory typu MOSFET. Według wynalazku, zasilacz standardu ATX, zawiera na wejściu układ wejściowy zasilacza połączony poprzez przetwornic LLC i układ prostownika z przetwornicą prądu stałego odbiornika. Według wynalazku, prostownik zasilacza charakteryzuje się tym, że transformator zawiera na stronie wtórnej dwa dodatkowe uzwojenia sterujące, przy czym te uzwojenia sterujące transformatora połączone są ze sobą oraz z dwoma parami rezystorów, oraz ze źródłami sterowanych napięciowo dwóch tranzystorów i z wyjściowym kondensatorem, z którego napięcie podawane jest na wyjściowe obciążenie. Jedno uzwojenie sterujące transformatora połączone jest z pierwszą diodą półprzewodnikową, zaś drugie uzwojenie sterujące transformatora połączone jest z drugą diodą półprzewodnikową. Pierwsza dioda półprzewodnikowa połączona jest z pierwszym rezystorem z pierwszej pary rezystorów oraz z pierwszym kondensatorem, natomiast druga dioda półprzewodnikowa połączona jest drugim rezystorem z pierwszej pary rezystorów oraz z drugim kondensatorem. Pierwszy kondensator połączony jest z pierwszym rezystorem z drugiej pary rezystorów i z bramką pierwszego tranzystora, zaś drugi kondensator połączony jest z drugim rezystorem z drugiej pary rezystorów i bramką drugiego tranzystora. Pierwsze uzwojenie wtórne transformatora połączone jest natomiast z drenem pierwszego tranzystora, zaś drugie uzwojenie wtórne transformatora połączone jest z drenem drugiego tranzystora. Oba uzwojenia wtórne transformatora połączone są ze sobą oraz z trzecim kondensatorem wyjściowym i z obciążeniem wyjściowym. Według wynalazku, układ wejściowy zasilacza korzystnie połączony jest dodatkowo poprzez układ przetwornicy prądu stałego zasilania dla układów STAND BY z wejściem STAND BY odbiornika. Układ wejściowy zasilacza oraz przetwornica rezonansowa LLC połączone mogą być z układem 6 kontroli napięć zasilających i sterowania pracą zasilacza. Zadaniem wynalazku jest znacząca poprawa sprawności przetwarzania energii, szczególnie przy niskich napięciach i dużych prądach. W prostowniku synchronicznym do przetwornicy LLC, według wynalazku, zastąpiono diody prostownicze sterowanymi synchronicznie tranzystorami. W rozwiązaniu według wynalazku uzyskano znaczący wzrost sprawności przetwarzania energii. Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładach wykonania na załączonym rysunku, na którym fig. 1 pokazuje schemat elektryczny prostownika według wynalazku, natomiast fig. 2 - schemat blokowy zasilacza komputerowego standardu ATX. P r z y k ł a d I Prostownik synchroniczny LLC według wynalazku pokazano w przykładzie wykonania na rysunku fig. 1. Prostownik zawiera transformator TR1 na kształtce EE 42/21/20 zawierający 36 zwojów uzwojenia pierwotnego oraz zawiera dwie diody półprzewodnikowe D1, D11 SS16, pierwszą parę rezystorów R1, R11 o oporności 270 ohm, drugą parę rezystorów R2, R12 o oporności 47 ohm, dwa kondensatory C1, C11 o pojemności 2,2 μf/35 V, kondensator wyjściowy CS 4400 μf/25 V oraz dwa tranzystory unipolarne T3, T13 z izolowaną bramką i z kanałem typu N-MOSFET IRF3205. Jak to pokazano na rysunku fig. 1, transformator TR1 zawiera na stronie wtórnej pierwsze uzwojenie wtórne I oraz drugie uzwojenie wtórne II, każde po 2 zwoje. Transformator TR1 zawiera po stronie wtórnej dodatkowe pierwsze uzwojenie sterujące III oraz drugie uzwojenie sterujące IV, każde po 3 zwoje. Uzwojenia sterujące III, IV transformatora TR1 połączone są ze sobą oraz z pierwszą parą rezysto-
4 PL 217 306 B1 rów R1, R11 i z drugą parą rezystorów R2, R12, oraz ze źródłami sterowanych napięciowo dwóch tranzystorów T3, T13. Pary uzwojeń wtórnych I, II oraz uzwojeń sterujących III, IV połączone są również z wyjściowym kondensatorem C3, z którego napięcie podawane jest na wyjściowe obciążenie Ro. Pierwsze uzwojenie sterujące I transformatora TR1 połączone jest z pierwszą diodą półprzewodnikową D1, zaś drugie uzwojenie sterujące II transformatora TR1 połączone jest z drugą diodą półprzewodnikową D11. Pierwsza dioda półprzewodnikowa D1 połączona jest z pierwszym rezystorem R1 z pierwszej pary rezystorów oraz z pierwszym kondensatorem C1, natomiast druga dioda półprzewodnikowa D11 połączona jest drugim rezystorem R11 z pierwszej pary rezystorów oraz z drugim kondensatorem C11. Pierwszy kondensator C1 połączony jest z pierwszym rezystorem R2 z drugiej pary rezystorów i z bramką pierwszego tranzystora T3, zaś drugi kondensator C11 połączony jest z drugim rezystorem R12 z drugiej pary rezystorów i bramką drugiego tranzystora T13. Pierwsze uzwojenie wtórne I transformatora TR1 połączone jest natomiast z drenem pierwszego tranzystora T3, zaś drugie uzwojenie wtórne II transformatora TR1 połączone jest z drenem drugiego tranzystora T13. Uzwojenia wtórne I, II transformatora TR1 połączone są ze sobą oraz z trzecim kondensatorem wyjściowym C3 i z obciążeniem wyjściowym Ro. Pierwszy tranzystor T3 oraz drugi tranzystor T13 po stronie wtórnej transformatora TR1 w tym przykładzie wykonania stanowią sterowane napięciowo tranzystory z izolowaną bramką i kanałem typu N, N-MOSFET. P r z y k ł a d II Na rysunku fig. 2 pokazano przykładowy schemat blokowy zasilacza komputerowego standardu ATX. Zasilacz zawiera na wejściu układ wejściowy 1 połączony poprzez przetwornicę 2 rezonansową LLC i poprzez układ samosterującego się prostownika synchronicznego 3 z przetwornicą prądu stałego odbiornika. Prostownik synchroniczny LLC stanowi układ opisany w przykładzie I. Jak to pokazano przykładowo na załączonym rysunku fig. 2, układ wejściowy 1 zasilacza połączony jest dodatkowo poprzez układ przetwornicy 4 prądu stałego zasilania dla układów STAND BY, z wejściem STAND BY odbiornika. Niezależnie od tego, układ wejściowy 1 zasilacza oraz przetwornica rezonansowa LLC 2 w tym przykładzie wykonania połączone są z układem 6 kontroli napięć zasilających i sterowania pracą zasilacza. W uzwojeniach wtórnych I i II transformatora TR1 płynie sinusoidalnie zmienny prąd, prąd ten jest naprzemiennie prostowany przez pasożytnicze diody tranzystorów unipolarnych z izolowaną bramką i kanałem typu N (N-MOSFET), w uzwojeniach pomocniczych III i IV również płynie sinusoidalnie zmienny prąd, który po naprzemiennym wyprostowaniu na diodach D1, D11 i zróżniczkowaniu w układzie kondensatora C1 i rezystora R2 lub odpowiednio C11, R12 na rezystorze R2 lub odpowiednio R12 odkłada napięcie proporcjonalne do prądu płynącego w uzwojeniach I lub II. Napięcie to służy do sterowania izolowanych bramek tranzystorów unipolarnych z kanałem N typu N-MOSFET, T3 lub T13, zaś powstałe napięcie nasyca tranzystor bocznikując prąd diody pasożytniczej rezystancją włączenia tranzystora Rds on. Zmniejsza to straty wynikające z przepływu prądu przez diodę do strat na rezystancji włączenia tranzystora Rds on. Gdy prąd w uzwojeniu głównym i sterującym I, III lub II, IV, zaczyna płynąć w drugą stronę, zaporowo spolaryzowana dioda D1 lub odpowiednio D11 uniemożliwia przepływ prądu, a tranzystor zostaje zatkany rozładowaniem napięcia bramki poprzez rezystor R2 lub odpowiednio R12. Rezystor R1 lub odpowiednio R11 wraz z rezystorem R2, lub odpowiednio R12 w tym czasie rozładowuje kondensator C1, lub odpowiednio C11 przygotowując go do kolejnego cyklu pracy. Zastrzeżenia patentowe 1. Prostownik synchroniczny LLC, zawierający po stronie pierwotnej zintegrowanego transformatora rezonansowego tranzystory unipolarne z izolowaną bramką i z kanałem typu N-MOSFET, zaś po stronie wtórnej tego transformatora rezonansowego pierwszą i drugą diodę półprzewodnikową, rezystory oraz kondensator wyjściowy, znamienny tym, że zawiera dodatkowe uzwojenia sterujące (III, IV) transformatora (TR1), przy czym te uzwojenia sterujące (III, IV) transformatora (TR1) połączone są ze sobą oraz z dwoma parami rezystorów (R1, R11) oraz (R2, R12) oraz ze źródłami sterowanych napięciowo tranzystorów (T3, T13) i z wyjściowym kondensatorem (C3), a także z wyjściowym obciążeniem (Ro), gdzie pierwsze uzwojenie sterujące (III) transformatora (TR1) połączone jest z pierwszą diodą półprzewodnikową (D1), zaś drugie uzwojenie sterujące (IV) transformatora (TR1) połączone jest z drugą diodą półprzewodnikową (D11), zaś ta pierwsza dioda (D1) połączona jest
PL 217 306 B1 5 z pierwszym rezystorem (R1) pierwszej pary rezystorów oraz z kondensatorem (C1), natomiast druga dioda (D11) połączona jest z drugim rezystorem (R11) pierwszej pary rezystorów oraz z kondensatorem (C11), przy czym pierwszy kondensator (C1) połączony jest z pierwszym rezystorem (R2) drugiej pary rezystorów i z bramką pierwszego tranzystora (T3), zaś drugi kondensator (C11) połączony jest z drugim rezystorem (R12) i z bramką drugiego tranzystora (T13), zaś pierwsze uzwojenie wtórne (I) transformatora (TR1) połączone jest z drenem pierwszego tranzystora (T3), natomiast drugie uzwojenie wtórne (II) transformatora (TR1) połączone jest z drenem drugiego tranzystora (T13), gdzie oba uzwojenia wtórne (I, II) transformatora (TR1) połączone są ze sobą oraz kondensatorem wyjściowym (C3) i z obciążeniem (Ro). 2. Prostownik synchroniczny według zastrz. 1, znamienny tym, że pierwszy i drugi tranzystor (T3, T13) stanowią sterowane napięciowo tranzystory typu MOFSET. 3. Zasilacz standardu ATX, zawierający na wejściu układ wejściowy zasilacza połączony poprzez przetwornicę LLC i układ prostownika z przetwornicą prądu stałego odbiornika, znamienny tym, że prostownik zawiera dodatkowe uzwojenia sterujące (III, IV) transformatora (TR1), przy czym te uzwojenia sterujące (III, IV) transformatora (TR1) połączone są ze sobą oraz z dwoma parami rezystorów (R1, R11) oraz (R2, R12) oraz ze źródłami sterowanych napięciowo tranzystorów (T3, T13) i z wyjściowym kondensatorem (C3), a także z wyjściowym obciążeniem (Ro), gdzie pierwsze uzwojenie sterujące (III) transformatora (TR1) połączone jest z pierwszą diodą półprzewodnikową (D1), zaś drugie uzwojenie sterujące (IV) transformatora (TR1) połączone jest z drugą diodą półprzewodnikową (D11), zaś ta pierwsza dioda (D1) połączona jest z pierwszym rezystorem (R1) pierwszej pary rezystorów oraz z kondensatorem (C1), natomiast druga dioda (D11) połączona jest z drugim rezystorem (R11) pierwszej pary rezystorów oraz z kondensatorem (C11), przy czym pierwszy kondensator (C1) połączony jest z pierwszym rezystorem (R2) drugiej pary rezystorów i z bramką pierwszego tranzystora (T3), zaś drugi kondensator (C11) połączony jest z drugim rezystorem (R12) i z bramką drugiego tranzystora (T13), zaś pierwsze uzwojenie wtórne (I) transformatora (TR1) połączone jest z drenem pierwszego tranzystora (T3), natomiast drugie uzwojenie wtórne (II) transformatora (TR1) połączone jest z drenem drugiego tranzystora (T13), gdzie oba uzwojenia wtórne (I, II) transformatora (TR1) połączone są ze sobą oraz kondensatorem wyjściowym (C3) i z obciążeniem (Ro). 4. Zasilacz standardu ATX według zastrz. 3, znamienny tym, że układ wejściowy zasilacza (1) połączony jest dodatkowo poprzez układ przetwornicy (4) prądu stałego zasilania dla układów STAND BY z wejściem STAND BY odbiornika. 5. Zasilacz standardu ATX według zastrz. 3 albo 4, znamienny tym, że układ wejściowy zasilacza (1) oraz przetwornica rezonansowa LLC (2) połączone są z układem (6) kontroli napięć zasilających i sterowania pracą zasilacza.
6 PL 217 306 B1 Rysunki
PL 217 306 B1 7
8 PL 217 306 B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)