ОДНОТАКТНЫЙ КОНВЕРТОР Российский патент 1995 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания.

Известен однотактный конвертор с обратным включением диода [1] недостатком которого является прерывистый характер входного и выходного токов, что в большинстве случаев требует применения громоздких фильтров.

Модификацией указанной схемы получены однотактные конверторы с устранением (компенсацией) пульсаций входного или выходного токов [2]
Недостатком этих устройств является их громоздкость, вызванная наличием второго трансформатора, соизмеримого по габаритам с первым из-за полного входного напряжения, прикладываемого к его обмоткам.

Известен также однотактный конвертор с одновременной компенсацией пульсаций входного и выходного токов [3] который также характеризуется неудовлетворительными массообъемными показателями из-за наличия двух дополнительных трансформаторов, соизмеримых по тем же причинам с габаритами первого.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению и совпадающим с ним по назначению является однотактный конвертор [4] в котором первый дроссель и последовательно соединенный с ним полупроводниковый ключ образуют коммутирующую цепь, подключенную к входным выводам конвертора, второй дроссель и последовательно соединенный с ним диод об- разуют коммутируемую цепь, подключенную к выходным выводам конвертора, трансформатор, первичная обмотка которого и последовательно соединенный с ней конденсатор образуют первую шунтирующую цепь, подключенную параллельно полупроводниковому ключу, а вторичная обмотка и последовательно соединенный с ней другой конденсатор образуют вторую шунтирующую цепь, подключенную параллельно диоду.

Недостатком известного решения являются неудовлетворительные массообъемные показатели из-за значительных габаритов дросселей, что объясняется полным входным напряжением, прикладываемым к их обмоткам, кроме того, в известном устройстве невозможно обеспечить полное устранение пульсаций токов дросселей при конечном значении их индуктивностей.

Целью изобретения является уменьшение габаритов конвертора и устранение пульсаций входного и выходного токов.

Это достигается тем, что с целью компенсации пульсаций входного тока, в устройство, содержащее первый трансформатор, первичная обмотка которого и последовательно соединенный с ней полупроводниковый ключ образуют коммутирующую цепь, второй трансформатор, первичная обмотка которого и последовательно соединенный с ней конденсатор образуют шунтирующую цепь, вторичные обмотки первого и второго трансформаторов через другой полупроводниковый ключ (диод) подключены к выходным выводам, зашунтированным другим конденсатором, введена дополнительная обмотка первого трансформатора, через которую указанные коммутирующая и параллельная ей шунтирующая цепи подключены к входным выводам конвертора.

Кроме того, с целью компенсации пульсаций выходного тока, в устройство, содержащее первый и второй трансформаторы, первичные обмотки которых соединены последовательно и через полупроводниковый ключ подключены к входым выводам, зашунтированным конденсатором, причем вторичная обмотка первого трансформатора и последовательно соединенный с ним другой полупроводниковый ключ (диод) образуют коммутируемую цепь, а вторичная обмотка второго трансформатора и последовательно соединенный с ней другой конденсатор образуют шунтирующую цепь, введена дополнительная обмотка первого трансформатора, через которую коммутируемая и параллельная ей шунтирующая цепи подключены к выходным выводам конвертора.

Кроме того, с целью одновременной компенсации пульсаций входного и выходного токов, в устройство, содержащее первый трансформатор, первичная обмотка которого и последовательно соединенный с ней полупроводниковый ключ образуют коммутирующую цепь, а вторичная обмотка которого и последовательно соединенный с ней другой полупроводниковый ключ (диод) образуют коммутируемую цепь, второй трансформатор, первичная обмотка которого и последовательно соединенный с ней конденсатор образуют вторую шунтирующую цепь, введены две дополнительные обмотки первого трансформатора, через одну из которых коммутирующая и параллельная ей шунтирующая цепи подключены к входным выводам, а через другую коммутируемая и параллельная ей вторая шунтирующая цепи подключены к выходным выводам конвертора. Кроме того, введен дополнительный двухобмоточный дроссель, первичная обмотка которого включена в цепь одного из входных выводов, а вторичная обмотка включена в цепь одного из выходных выводов конвертора.

Таким образом, введением по крайней мере одной дополнительной обмотки первого трансформатора, через которую коммутирующая (коммутируемая) и параллельная ей шунтирующая цепи подключены к выводам конвертора, обеспечивается конкретная задача по устранению пульсаций тока на входе и выходе конвертора. Тем самым, имеем три варианта устройства, объединенные общим замыслом и реализованные единым техническим приемом.

В отличие от прототипа в предложенных вариантах устройства обеспечивается полное устранение пульсаций входного и выходного токов при конечном значении используемых индуктивных элементов. Кроме того, к обмоткам второго трансформатора приложено не полное входное напряжение, а во много раз меньшее, поэтому габариты второго трансформатора, а равно и габариты устройства, оказываются существенно меньше, чем у прототипа.

Таким образом, перечисленные признаки заявляемого объекта являются существенными, поскольку каждый из них необходим, а их совокупность достаточна для достижения поставленной цели уменьшения габаритов конвертора, а также устранения пульсаций на его входе и выходе.

На фиг. 1-3 изображены варианты реализации предлагаемого устройства, с компенсацией пульсаций входного и выходного токов, где 1 и 2 выводы для подключения входного напряжения, 3 и 4 выводы для подключения нагрузки, 5 первый трансформатор с первичной 6 и вторичной 8 обмотками, 10 второй трансформатор с первичной 11 и вторичной 12 обмотками, 13 полупроводниковый ключ, 14 первый конденсатор, 15 второй конденсатор, 16 диод, 7 и 9 дополнительные обмотки трансформатора 5, 17 дроссель с первичной 18 и вторичной 19 обмотками.

Коммутирующая цепь образована последовательно соединенными обмоткой 6 и ключом 13, а коммутируемая цепь последовательно соединенными обмоткой 8 и диодом 16.

Обозначим N и n .

В установившемся режиме конденсатор 13 заряжен до входного напряжения Е, а конденсатор 14 до напряжения нагрузки U_н.

В конверторе с компенсацией пульсаций входного тока (фиг. 1) к выводам 1 и 2 через обмотку 7 подключена коммутирующая цепь, параллельно которой включена шунтирующая цепь из конденсатора 14 и обмотки 11, коммутируемая цепь через обмотку 12 подключена к выводам 3 и 4, зашунтированным конденсатором 15.

В конверторе с компенсацией пульсаций входного тока (фиг. 2) к выводам 3 и 4 через обмотку 9 подключена коммутируемая цепь, параллельно которой включена шунтирующая цепь из конденсатора 15 и обмотки 12, коммутирующая цепь через обмотку 11 подключена к выводам 1 и 2, зашунтированным конденсатором 14.

В конверторе с одновременной компенсацией пульсаций входного и выходного тока (фиг. 3) к выводам 1 и 2 через обмотки 7 и 18 подключена коммутирующая цепь, параллельно которой включена шунтирующая цепь из конденсатора 14 и обмотки 11, к выходным выводам 3 и 4 через обмотки 9 и 19 подключена коммутируемая цепь, параллельно которой включена шунтирующая цепь из конденсатора 15 и обмотки 12.

Из схем видно, что по переменному току трансформатор 10 подключен параллельно дополнительной обмотке трансформатора 5. Если L₅-индуктивность обмотки 6 трансформатора 5, а L₁₀ индуктивность обмотки 11 трансформатора 10, то эквивалентная индуктивность трансформатора 5, приведенная к первичной стороне, равна:
L_5экв= L₅L₁₀ (1+n)²/(n²L₅+L₁₀) (1).

Средний ток конденсаторов в установившемся режиме равен нулю, поэтому средний ток подмагничивания трансформатора 10, приведенный к первичной стороне равен для фиг. 1 приведенному току нагрузки I_Н'N ˙I_Н, для фиг. 2: входному току I_Е, для фиг. 3: нулю.

Через первичную и вторичную обмотки трансформатора 5 токи протекают в одном направлении, поэтому средний ток подмагничивания L_5экв равен сумме средних входного и выходного токов конвертора I_Е+I_Н Поскольку к трансформатору 10 прикладывается в (n+1)/n раз меньшее напряжение, чем к L_5экв, то отношение пульсаций токов намагничивания равно Δi₅/Δi₁₀=L₁₀(1+n)/L_5экв.

В дополнительной обмотке трансформатора 5 при этом протекает разностный ток пульсаций, равный Δi₅- Δi₁₀. При условии L₁₀=L_5экв/(n+1) (2), пульсации тока в дополнительной обмотке оказываются равны нулю, чем с учетом (1) соответствует L₁₀=(1+n-n²)˙ L₅ (3) и L_5экв=(1+n)(1+n-n²)L₅ (4).

На фиг. 4 изображены временные диаграммы электрических процессов в схемах конверторов в режиме компенсации.

Схема фиг. 1 работает следующим образом. При замыкании ключа 13 диод 16 запирается, а через ключ 13 протекает возрастающий ток намагничивания i_5экв под действием приложенного к L_5экв напряжения Е. Конденсатор 14 разряжается током намагничивания трансформатора 10, равным i₁₀₍₁₎, который возрастает под действием приложенного к индуктивности L₁₀ напряжения E˙n/1(1+n). Входной ток конвертора и ток обмотки 7, равный разности i_5экв и i₁₀₍₁₎ при этом постоянен и равен I_Е. Конденсатор 15 разряжается током нагрузки I_Н.

При размыкании ключа 13 ток намагничивания трансформатора 5, равный i_5экв/N, переключается в цепь диода 16, который отпирается. При этом происходит переполюсовка напряжения на обмотках трансформаторов 5 и 10, под действием чего начинается уменьшение токов намагничивания L_5экв и L₁₀, при отрицательных напряжениях U_Н' и U_Н' ˙n/(1+n) соответственно. На этом этапе через конденсатор протекает разностный ток i_5экв/N-I_Н. Протекающий через обмотку 12 ток диода 16 трансформируется в обмотку 11 и за вычетом тока намагничивания i₁₀₍₁₎ протекает через входную цепь конвертора, заряжая конденсатор 14 постояным током, равным I_Е.

Схема фиг. 2 работает следующим образом. При замкнутом ключе 13 диод 16 заперт и через ключ протекает ток i_5экв, конденсатор 14 при этом разряжается разностным током i_5экв-I_Е. Трансформируясь в обмотку 12 ток ключа i_5экв/N за вычетом тока намагничивания i₁₀₍₂₎/N протекает через обмотку 9, нагрузку и конденсатор 15, который разряжается постоянным током, равным I_Н. При размыкании ключа 13 отпирается диод 16, через который начинает протекать трансформированный ток намагничивания i_5экв/N, при этом конденсатор 15 заряжается током намагничивания i₁₀₍₂₎/N, а в нагрузке протекает разностный ток [i_5экв-i1₀₍₂₎] N, постоянный по величине и равный I_Н. Конденсатор 14 на этом этапе заряжается током I_Е.

Схема фиг. 3 работает следующим образом. При допущении бесконечной индуктивности дроссели 17, входной и выходной токи конвертора не имеют пульсаций. При замкнутом ключе 13 диод 16 заперт, а в выходной цепи конвертора через обмотки 12 и 9 протекает постоянный ток I_Н, разряжающий конденсатор 15.

Этот ток, трансформированный в обмотку 11 за вычетом тока намагничивания i₁₀₍₃₎, разряжает конденсатoра 14. При этом ток обмотки 7 и соответственно входной ток конвертора постоянен и равен I_Е. При размыкании ключа 13 отпирается диод 16 и ток I_Е, заряжающий конденсатор 14, трансформируясь в обмотку 12 за вычетом тока намагничивания трансформатора 10, заряжает конденсатор 15 током [I_Е-i₁₀₍₃₎] /N. Этот ток вычитается из тока , равного току диода 16, в результате чего ток обмотки 9, а следовательно, и выходной ток конвертора постоянен и равен I_Н.

Ток подмагничивания дросселя 17 очень мал за счет встречного протекания по его обмоткам токов I_Е и I_Н, и при условии Е=U_Н' равен нулю, поэтому индуктивность дросселя 17 может быть выбрана очень большой при малых его габаритах. В реальной схеме выбирают L₁₇ ≳ 10 L_5экв. Кроме того, благодаря отсутствию тока В подмагничивания трансформатора 10, его габариты также оказываются очень малыми.

По сравнению с прототипом габариты трансформатора 10 во всех предложенных вариантах конверторов имеют значительно меньшие габариты, поскольку значение n может быть выбрано очень малым и при n<< 1 к обмоткам указанного трансформатора прикладывается во много раз ≈ меньшее напряжение.

Отметим, что область применения изобретения не ограничивается одноканальными по выходу конверторами, и количество каналов может быть любым при соответствующем дублировании вторичных цепей.

Таким образом предложенные включения приводят к уменьшению габаритов конвертора и устранению пульсаций на его выводах.

Использование: при проектировании источников вторичного электропитания. Сущность изобретения: конвертор содержит входные выводы для подключения входного напряжения, выходные выводы для подключения нагрузки, первый трансформатор с первичной и вторичной обмотками, второй трансформатор с первичной и вторичной обмотками, ключ, первый и второй конденсаторы и диод. Коммутирующая цепь конвертора содержит последовательно соединенные первичную обмотку первого трансформатора и ключ, а коммутируемая цепь конвертора - последовательно соединенные вторичную обмотку первого трансформатора и диод. В конверторе с компенсацией пульсаций входного тока параллельно коммутирующей цепи включена последовательная цепь из первого конденсатора и первичной обмотки второго трансформатора и подключенная к входным выводам конвертора через дополнительную первичную обмотку первого трансформатора. Коммутируемая цепь подключена через вторичную обмотку второго трансформатора к выходным выводам, зашунтированным вторым конденсатором. В конверторе с компенсацией пульсаций выходного тока параллельно коммутируемой цепи включена последовательная цепь из второго конденсатора и вторичной обмотки второго трансформатора и подключенная к выходным выводам конвертора через дополнительную вторичную обмотку первого трансформатора, а коммутирующая цепь подключена через первичную обмотку второго трансформатора к входным выводам, зашунтированным первым конденсатором. 3 с. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. ОДНОТАКТНЫЙ КОНВЕРТОР, содержащий первый трансформатор, первичная обмотка которого и последовательно соединенный с ней полупроводниковый ключ образуют коммутирующую цепь, второй трансформатор, первичная обмотка которого и последовательно соединенный с ней конденсатор образуют шунтирующую цепь, вторичные обмотки первого и второго трансформаторов соединены последовательно и через другой полупроводниковый ключ подключены к выходным выводам, зашунтированным другим конденсатором, отличающийся тем, что в него введена дополнительная обмотка первого трансформатора, через которую указанные коммутирующая и паралельная ей шунтирующая цепи подключены к входным выводам конвертора. 2. Однотактный конвертор, содержащий первый и второй трансформаторы, первичные обмотки которых соединены последовательно и через полупроводниковый ключ подключены к входным выводам, зашунтированным конденсатором, причем вторичная обмотка первого трансформатора и последовательно соединенный с ней другой полупроводниковый ключ образуют коммутируемую цепь, а вторичная обмотка второго трансформатора и последовательно соединенный с ней другой конденсатор образуют шунтирующую цепь, отличающийся тем, что в него введена дополнительная обмотка первого трансформатора, через которую указанная коммутируемая и параллельная ей шунтирующая цепи подключены к выходным выводам конвертора. 3. Однотактный конвертор, содержащий первый трансформатор, первичная обмотка которого и последовательно соединенный с ней полупроводниковый ключ образуют коммутирующую цепь, а вторичная обмотка и последовательно соединенный с ней другой полупроводниковый ключ образуют коммутируемую цепь, второй трансформатор, первичная обмотка которого и последовательно соединенный с ней конденсатор образуют первую шунтирующую цепь, а вторичная обмотка и последовательно соединенный с ней другой конденсатор вторую шунтирующую цепь, отличающийся тем, что в него введены две дополнительные обмотки первого трансформатора, через одну из которых коммутирующая и параллельная ей первая шунтирующая цепи подключены к входным выводам, а через другую коммутируемая и параллельная ей вторая шунтирующая цепи подключены к выходным выводам конвертора. 4. Конвертор по п.3, отличающийся тем, что в него введен двухобмоточный дроссель, первичная обмотка которого включена в цепь одного из входных выводов, а вторичная обмотка в цепь одного из выходных выводов конвертора.