СТАБИЛИЗИРУЮЩИЙ МОСТОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 1994 года по МПК H02M7/539 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам электропитания радиоэлектронной аппаратуры, средств автоматики и других потребителей электроэнергии.

Известен стабилизирующий мостовой преобразователь, содержащий коммутирующие ключи, соединенные силовыми выходами с силовыми входами регулирующих и токозамыкающих ключей, первый вторых и второй первых, дроссель, подключенный первым выводом к первой входной клемме, силовой трансформатор, первичная обмотка которого включена между силовыми выходами коммутирующих ключей, коммутирующий диод, модулятор импульсов управления.

Недостатком этого преобразователя является то, что при активно-индуктивном характере нагрузки, а таковой является сам силовой трансформатор, особенно высоковольтный, с учетом индуктивности рассеяния первичной обмотки при коммутации ключей возможны их пробои током разряда индуктивности нагрузки. Это ограничивает возможности использования данного преобразователя для питания реальных нагрузок.

Этот недостаток устранен в наиболее близком к предлагаемому стабилизирующем мостовом преобразователе, содержащем коммутирующие ключи, соединенные силовыми выходами с силовыми входами регулирующих и токозамыкающих ключей, первый вторых и второй первых, дроссель, подключенный первым выводом к первой входной клемме, силовой трансформатор, первичная обмотка которого включена между силовыми выходами коммутирующих ключей, коммутирующий диод, накопительный конденсатор, модулятор импульсов управления, подключенный входом к выходу преобразователя, а выходами - к входам управления коммутирующих, регулирующих и токозамыкающих ключей, обратные диоды, первый и второй из которых включены встречно-параллельно соответственно первому и второму коммутирующим ключам.

Однако указанные устройства не обеспечивают возможность питания нагрузки (силового трансформатора) напряжением, превышающим по амплитуде напряжение питания первичного источника, что ограничивает функциональные возможности преобразователя.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей стабилизирующего мостового стабилизатора.

Это достигается тем, что в стабилизирующем мостовом преобразователе, содержащем коммутирующие ключи, соединенные силовыми выходами с силовыми входами регулирующих и токозамыкающих ключей, первый вторых и второй первых, дроссель, подключенный первым выходом к первой входной клемме, силовой трансформатор, первичная обмотка которого включена между силовыми выходами коммутирующих ключей, коммутирующий диод, накопительный конденсатор, модулятор импульсов управления, подключенный входом к выходу преобразователя, а выходами - к входам управления коммутирующих и токозамыкающих ключей, обратные диоды, первый и второй из которых включены встречно-параллельно соответственно первому и второму коммутирующим ключам, регулирующие и токозамыкающие ключи выполнены в виде ключей односторонней проводимости и введены вторые коммутирующий диод и накопительный конденсатор, при этом коммутирующие диоды включены согласно-последовательно, первый с первым и второй со вторым, с коммутирующими ключами между их силовыми входами и вторым выводом дросселя, накопительные конденсаторы включены между силовыми входами, первый первых и второй вторых, коммутирующих и регулирующих ключей, силовые выходы токозамыкающих ключей соединены с первым выводом дросселя, а силовые выходы коммутирующих ключей соединены, первого через третий и второго через четвертый обратные диоды, с вторым выводом дросселя.

Указанное построение стабилизирующего мостового преобразователя позволяет осуществлять питание силового трансформатора напряжением с амплитудой как ниже, так и выше напряжения первичного источника, что позволяет существенно расширить область применения устройства.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема предлагаемого стабилизирующего мостового преобразователя; на фиг. 2 - эпюры сигналов управления ключами, напряжений и токов элементов при работе в режиме понижения напряжения, на фиг. 3 - то же, в режиме повышения напряжения (принятые обозначения: v - напряжение; i - ток элемента; индекс Y- сигналы управления; нижний цифровой индекс соответствует позиционному обозначению элемента на схеме).

Предложенный стабилизирующий мостовой преобразователь, первый коммутирующий ключ 1, соединенный силовым выходом (эмиттером) с входом (коллектором) второго регулирующего ключа 3, и второй коммутирующий ключ 2, соединенный силовым выходом с входом первого регулирующего ключа 4; первый 5 и второй 6 токозамыкающие ключи; дроссель 7, подключенный первым выводом к первой входной клемме 8 преобразователя, к второй входной клемме 9 которого подсоединены силовые выходы регулирующих ключей; коммутирующие диоды, первый 10 из которых включен согласно-последовательно с первым коммутирующим ключом 1 между его силовым входом и вторым выводом дросселя 7, а второй 11 включен согласно-последовательно со вторым коммутирующим ключом 2 между его силовым входом и вторым выводом дросселя 7; первый накопительный конденсатор 12, включенный между силовыми входами первых коммутирующего 1 и регулирующего 4 ключей; второй накопительный конденсатор 13, включенный между силовыми входами вторых коммутирующего 2 и регулирующего 3 ключей; первый токозамыкающий ключ 5, соединенный силовым входом с силовым выходом второго коммутирующего ключа 2 и силовым выходом с первым выводом дросселя 7, второй токозамыкающий ключ 6, соединенный силовым входом с силовым выходом первого коммутирующего ключа 1 и силовым выходом с первым выводом дросселя 7; силовой трансформатор 14 с первичной обмоткой 15, включенной между силовыми выходами первого 1 и второго 2 коммутирующих ключей и вторичной обмоткой, подключенной к нагрузке и входу 17 модулятора 18 импульсов управления, выходы 19 которого подсоединены к входам управления (базам) коммутирующих, регулирующих и токозамыкающих ключей; встречно-параллельно первому коммутирующему ключу 1 и второму коммутирующему ключу 2 подсоединены соответственно первый 20 и второй 21 обратные диоды.

Силовой выход первого коммутирующего ключа 1 через третий обратный диод 22, а силовой выход второго коммутирующего ключа 2 через четвертый обратный диод 23 соединены с вторым выводом дросселя 7.

Принцип работы предложенного стабилизирующего устройства мостового преобразователя заключается в следующем:
В нечетном такте при питании силового трансформатора 16 напряжением с амплитудой меньше, чем напряжение Е первичного источника (режим понижения), в первый момент to (см. фиг. 2) замыкаются одновременно первые коммутирующий 1 и регулирующий 4 ключи, а также первый токозамыкающий ключ 5. В результате образуются цепь передачи энергии от первичного источника через силовой трансформатор 16 в нагрузку: клемма 8 - дроссель 7 - диод 10 - ключ 1 - первичная обмотка 15 - ключ 4 - клемма 9 - и цепь заряда первого накопительного конденсатора 12: клемма 8 - дроссель 7 - диод 10 - конденсатор 12 - ключ 4 - клемма 9. Протекающий через дроссель 7 ток заряда конденсатора 12 нарастает, что обеспечивает накопление энергии в дросселе 7. В момент времени t₁ регулирующий ключ 4 размыкается и разрывает цепь питания силового трансформатора 16, дросселя 7 и конденсатора 12 от первичного источника. Напряжение на дросселе 7 меняет свою полярность, а ток дросселя замыкается по цепи: дроссель 7 - диод 10 - ключ 1 - обмотка 15 - ключ 5 - дроссель 7 и цепи: дроссель 7 - диод 10 - конденсатор 12 - ключ 5 - дроссель 7.

Питание нагрузки через силовой трансформатор 14 с момента t₁ осуществляется за счет энергии, накопленной в дросселе 7, а затем и энергии конденсатора 12.

В момент t₂ окончания нечетного и начала четного такта работы преобразователя одновременно размыкаются первый коммутирующий 1 и первый токозамыкающий 5 и замыкаются вторые коммутирующий 2, регулирующий 3 и токозамыкающий 6 ключи. В результате вновь образуются цепь питания нагрузки через силовой трансформатор 14 от первичного источника; клемма 8 - дроссель 7 - диод 11 - ключ 2 - обмотка 15 - ключ 3 - клемма 9 и цепь заряда второго накопительного конденсатора 13; клемма 8 - дроссель 7 - диод 11 - конденсатор 13 - ключ 3 - клемма 9. Напряжение на обмотках силового трансформатора меняет свою полярность. Однако при активно-индуктивном характере нагрузки ток первичной обмотки 15 продолжает сохранять прежнее направление тока до спада до нуля, протекая в направлении от точки соединения ключа 1 с ключом 3 к точке соединения ключа 2 с ключом 4. При этом ток обмотки 15 замыкается по цепи; обмотка 15 - диод 21 - конденсатор 13 - обмотка 15. Одновременно происходит подзаряд конденсатора 13 через дроссель 7 от первичного источника по цепи; клемма 8 - дроссель 7 - диод 11 - конденсатор 13 - ключ 3 - клемма 9. Ток заряда конденсатора 13, нарастая, протекает через дроссель 7, в котором происходит накопление энергии.

В момент t₃ достижения током разряда индуктивности нагрузки, протекающего по обмотке 15, нулевого значения ток в этой обмотке меняет направление и начинает протекать в направлении от точки соединения ключей 2 и 4 к точке соединения ключей 1 и 3. В нагрузку начинает поступать энергия от первичного источника по ранее образованной цепи: клемма 8 - дроссель 7 - диод 11 - ключ 2 - обмотка 15 - ключ 3 - клемма 9.

В момент времени t₄ размыкается второй регулирующий ключ 3 и разрывает цепь питания нагрузки и дросселя 7 от первичного источника. Ток дросселя 7 начинает замыкаться по цепи: дроссель 7 - диод 11 - ключ 2 - обмотка 15 - ключ 6 - дроссель 7 и по цепи; дроссель 7 - диод 11 - конденсатор 13 - ключ 6 - дроссель 7. С момента времени t₄ питание нагрузки осуществляется за счет энергии, накопленной в дросселе 7, а затем и за счет энергии конденсатора 15, который через ключ 2 оказывается подключенным к обмотке силового трансформатора 16. В момент времени t₅ окончания четного и начала нечетного такта одновременно размыкаются второй коммутирующий 2 и второй токозамыкающий ключи и замыкаются первые коммутирующий 1, регулирующий 4 и токозамыкающий 5 ключи. Образуются цепи питания нагрузки и заряда накопительного конденсатора 12 от первичного источника. Описанные процессы повторяются.

Накопительные конденсаторы 14 и 15 обеспечивают поддержание стабильной амплитуды напряжения питания силового трансформатора и прием от него реактивной энергии из нагрузки на интервале времени, равном такту, полупериоду, работы преобразователя. Стабильность напряжения питания силового трансформатора на интервалах, превышающих длительность такта, обеспечивается за счет изменения длительности замкнутого состояния регулирующих ключей 3 и 4 в зависимости от сигнала обратной связи, поступающего на вход 17 модулятора 18 импульсов управления, а также непосредственного воздействия на модулятор напряжения первичного источника.

При снижении напряжения первичного источника до величины, меньшей стабилизируемой величины амплитуды напряжения питания силового трансформатора 14, преобразователь переходит в режим повышения напряжения. При этом коммутация ключей осуществляется в следующем порядке.

Одновременно (см. фиг. 3) открываются первый коммутирующий 1 и второй регулирующий 3 ключи. Образуются цепь заряда дросселя 7: клемма 8 - дроссель 7 - диод 10 - ключ 1 - ключ 3 - клемма 9 и цепь питания первичной обмотки 15 силового трансформатора 14 от конденсатора 12: конденсатор 12 - ключ 1 - обмотка 15 - конденсатор 12. Происходят накопление энергии в дросселе 7 при нарастающем токе через него и передача ранее накопленной энергии в конденсаторе 12 в нагрузку. В момент t₁ окончания четного и начала нечетного такта второй регулирующий ключ 3 закрывается и открывается первый регулирующий ключ 4. В результате образуются цепи протекания тока разряда дросселя 7 через нагрузку: клемма 8 - дроссель 7 - диод 10 - ключ 1 - обмотка 15 - ключ 4 - клемма 9 и конденсатор 12: клемма 8 - дроссель 7 - диод 10 - конденсатор 12 - ключ 4 - клемма 9. Напряжение дросселя 7 суммируется с напряжением первичного источника. Суммарное напряжение прикладывается к обмотке 15.

В момент времени t₂ первый коммутирующий ключ 1 размыкается и одновременно замыкается второй коммутирующий ключ 2. Вновь образуется цепь заряда дросселя 7 от первичного источника: клемма 8 - дроссель 7 - диод 11 - ключ 2 - ключ 4 - клемма 9. Через ключ 2 к обмотке 15 силового трансформатора 14 подключается конденсатор 13, за счет энергии которого, накопленной в предыдущем четном такте поддерживается напряжение на нагрузке на интервале заряда накопительного дросселя 7 (t₃-t₂). В момент t₃ окончания нечетного и начала четного такта работы преобразователя первый регулирующий ключ 4 размыкается и замыкается второй регулирующий ключ 3. Образуются цепи разряда дросселя 7 через нагрузку: клемма 8 - дроссель 7 - диод 11 - ключ 2 - обмотка 15 - ключ 3 - клемма 9 и через конденсатор 13: клемма 8 - дроссель 7 - диод 11 - конденсатор 13 - ключ 3 - клемма 9. Конденсатор 13 подзаряжается. К обмотке 15 прикладывается сумма напряжений первичного источника и дросселя 7. Стабильность напряжения питания силового трансформатора 14 поддерживается за счет изменения длительности интервала заряда дросселя 7, происходящего при совпадении замкнутого состояния пар ключей 1 и 3 и 2 и 4. С точки зрения управления это сводится к сдвигу по фазе сигналов управления регулирующими ключами, переключающимися в противофазе, относительно сигналов управления коммутирующими ключами, также переключающимися в противофазе.

Коммутирующие диоды 10, 11 предотвращают разряд конденсатора 12 через замкнутый коммутирующий ключ 2 и конденсатор 13 через замкнутый коммутирующий ключ 1. Обратные диоды 20 и 21 обеспечивают условия замыкания тока разряда индуктивности нагрузки соответственно через конденсаторы 12 и 13. Обратные диоды 22 и 23 позволяют формировать паузу в напряжении трансформатора. В случаях, когда в формировании такой паузы нет необходимости, диоды 22 и 23 могут отсутствовать.

Таким образом, предлагаемый стабилизирующий мостовой преобразователь напряжения позволяет осуществлять питание силового трансформатора напряжением с амплитудой как ниже напряжения первичного источника, так и выше и, следовательно, обладает большими функциональными возможностями, чем прототип. Это расширяет область применения преобразователя за счет использования для его питания первичных источников, существенно отличающихся по уровню напряжения.

Использование: при проектировании вторичных источников питания. Сущность изобретения: устройство содержит коммутирующие ключи, подсоединенные через дроссель к входному выводу и через выходной трансформатор 14 - к выходным выводам. Регулирующие ключи 3,4 подключены к первичной обмотке 15 выходного трансформатора 14 и входному выводу. Коммутирующие диоды 10,11 предотвращают разряд конденсатора 12 через замыкающий коммутирующий ключ 2 и конденсатор 13 через замкнутый коммутирующий ключ. Обратные диоды 20,21 обеспечивают условия замыкания тока разряда индуктивности нагрузки через конденсаторы. Обратные диоды 22,23 позволяют формировать паузу в напряжении трансформатора 14. Преобразователь позволяет осуществлять питание выходного трансформатора напряжением с амплитудой как ниже напряжения первичного источника, так и выше. Это расширяет область применения устройства за счет использования для его питания первичных источников, существенно отличающихся по уровню напряжения. 3 ил.

СТАБИЛИЗИРУЮЩИЙ МОСТОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий зашунтированные обратными диодами коммутирующие ключи, соединенные своими выходными силовыми электродами с концами первичной обмотки выходного трансформатора и входными силовыми электродами соответствующих регулирующих ключей, выходные силовые электроды которых присоединены к первому входному выводу, второй входной вывод подключен к первому выводу дросселя, накопительный конденсатор, коммутирующий диод, модулятор импульсов управления, соединенный своими выходами с управляющими входами всех ключей, отличающийся тем, что введены второй коммутирующий диод, второй накопительный конденсатор, два обратных диода и два токозамыкающих ключа, выходные силовые электроды которых соединены с вторым входным выводом, а входные силовые электроды - с соответствующими концами первичной обмотки выходного трансформатора, при этом второй вывод дросселя соединен с входными силовыми электродами коммутирующих ключей через соответствующие согласно с ними включенные коммутирующие диоды, а входные и выходные силовые электроды противофазно работающих ключей соединены друг с другом через накопительные конденсаторы, при этом все токозамыкающие и регулирующие ключи выполнены с односторонней проводимостью, силовые выходные выводы коммутирующих ключей соединены с вторым выводом дросселя через соответствующие введенные обратные диоды, а вход модулятора импульсов управления соединен с выходными выводами.