СПОСОБ ОБРАТНОХОДОВОГО ИМПУЛЬСНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК H02M3/335 

Способ импульсного обратноходового преобразования постоянного напряжения относится к электротехнике, в частности к преобразователям постоянного напряжения в постоянное и регуляторам напряжения, и может быть использован в системах электропитания и электропривода.

Известен способ импульсного обратноходового преобразования постоянного напряжения, при котором увеличение энергии дросселя-трансформатора производится на этапе замкнутого состояния регулирующего ключа от источника питания, а на этапе разомкнутого состояния регулирующего ключа энергия дросселя-трансформатора частично или полностью предается в нагрузку через обратно включенный выпрямительный диод [Поликарпов А.Г., Сергиенко Е.Ф., Однотактные преобразования напряжения в устройствах электропитания РЭА, М., Радио и связь, 1989 г., с. 61, 67...68]. Недостатками данного способа являются пониженная эффективность преобразования из-за значительных потерь в дросселе-трансформаторе, так как мощность преобразования обеспечивается только пульсацией электромагнитной энергии этого основного компонента и частотой преобразования, и большая величина напряжения на разомкнутом регулирующем ключе, превышающая напряжение питания, с дополнительным коммутационным выбросом напряжения из-за неидеальной электромагнитной связи первичной и вторичной силовых обмоток и резким набросом тока в выпрямительный диод, а также трудность обеспечения безопасной траектории транзистора ключа. Это приводит к необходимости завышения установочной мощности силового ключа и дросселя-трансформатора для получения необходимой надежности, что приводит к ухудшению энергетических, массогабаритных и экономических показателей преобразователя.

Наиболее близким техническим решением является способ импульсного преобразования постоянного напряжения, при котором на этапе замкнутого состояния регулирующего транзисторного ключа производится увеличение магнитной энергии трансформатора, а также передача энергии источника питания через прямо включенный выпрямительный диод к нагрузке, а на этапе разомкнутого состояния регулирующего ключа магнитная энергия трансформатора передается в дополнительный конденсатор и через обратно включенный выпрямительный диод к нагрузке, куда также возвращается через вспомогательный транзисторный ключ полученная в начале этого этапа часть энергии дополнительного конденсатора. [Поликарпов А. Г. , Сергиенко Е.Ф., Однотактные преобразователи напряжения в устройствах электропитания РЭА, М., Радио и связь, 1989 г., с. 68...70]. Недостатком данного способа являются потребление энергии из источника питания только на первом этапе при замкнутом состоянии регулирующего ключа, увеличенное напряжение на разомкнутых регулирующем и вспомогательном ключах, превышающее напряжение питания, и необходимость фильтрующей индуктивности, включаемой после выпрямительных диодов, что усложняет выполнение многоканального преобразователя.

Основной технической задачей предложенного способа является достижение равномерности потребления тока из источника питания, уменьшение потерь в трансформаторе, снижение напряжения на силовом ключе в разомкнутом состоянии, формирование траектории его переключения и уменьшение установочной мощности, повышение качества выходного напряжения и многоканального выхода.

Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом способе импульсного обратноходового преобразования постоянного напряжения на первом этапе периода периодического процесса происходит увеличение магнитной энергии трансформатора и энергии первого конденсатора при подключении трансформатора к источнику питания через замкнутый регулирующий ключ и первый конденсатор и снижение энергии второго конденсатора, подключаемого к трансформатору замкнутым регулирующим ключом, а на втором этапе периода полученная на первом этапе доза магнитной энергии трансформатора, вторая доза энергии источника и часть энергии первого конденсатора передаются к нагрузке и увеличивают энергию второго конденсатора при разомкнутом состоянии регулируемого ключа и подключении трансформатора замкнутым передающим ключом к источнику питания через второй конденсатор и к первому конденсатору. Дополнительно вводятся определенные коммутационные задержки по управлению на поочередное переключение полупроводниковых приборов ключей и формируются траектории переключения этих полупроводниковых приборов подключением к ним емкостей, а также устанавливается полупериод колебаний контура емкостей первого и второго конденсаторов и индуктивностей рассеивания трансформатора меньшим длительности второго этапа периода.

При этом энергия из источника питания потребляется на обоих этапах периода, энергии трансформатора, первого и второго конденсатора колеблются относительно своих средних значений, а напряжения на разомкнутых регулирующем и передающем ключах не превышают напряжение питания, причем имеют трапецеидальную форму с плоской вершиной без выбросов, что обеспечивает надежность ключей и возможность получения нескольких выходных каналов с хорошим согласованием.

Анализ известных технических решений показал, что предложенный способ импульсного обратноходового преобразования постоянного напряжения, заключающийся в вышеуказанном поэтапном дозированном увеличении и передаче энергии трансформатора, первого и второго конденсаторов с потреблением ее из источника питания на обоих этапах периода при непосредственной передаче части энергии из источника питания к нагрузке на втором этапе, проявляет новые свойства, заключающиеся в повышении эффективности преобразования, надежности и качества электропитания и снижении массогабаритных показателей преобразователя.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства, представляющего одну из возможностей реализаций предложенного способа обратноходового преобразования и регулирования постоянного напряжения.

На фиг. 2 приведены эпюры напряжений и токов в различных узлах устройства с индексами, соответствующими их обозначению на фиг. 1.

Предложенный способ реализован в устройстве, представленном на фиг. 1. Устройство содержит выводы 1 для подсоединения источника питания, блок управления 2 с двумя выходами - первым 3 и вторым 4, соединенными с входами двух силовых ключей - регулирующего 5 и передающего 6 соответственно. При этом силовые ключи 5 и 6 соединены своими выходами последовательно, образуя стойку, и состоят из параллельно подключенных к выходам ключей полупроводникового прибора 7 (8), конденсатора 9 (10) и встречно-параллельного диода 11 (12) соответственно, причем вход силового ключа 5 (6) соединен с входом полупроводникового прибора 7 (8); а параллельно стойке ключей, соединенной с входными выводами 1, подключена стойка из двух последовательно соединенных конденсаторов - первого 13 и второго 14, при этом между средними точками стоек ключей и конденсаторов включена первичная обмотка трансформатора 15, в то время как вторичная обмотка трансформатора 15 через выпрямительный диод 16 соединена с конденсатором 17, к которому подсоединены выводы 18 подключения нагрузки.

Преобразование напряжения осуществляется следующим образом. Блок управления 2 вырабатывает противофазные чередующиеся с небольшим коммутационными задержками между срезом одного и фронтом другого прямоугольные импульсы напряжения U₃, U₄ с частотой преобразования и длительностью, которые определяются выбранным алгоритмом управления и законом обратной связи. Эти импульсы U₃, U₄ поступают на входы силовых ключей 5, 6 и далее на входы полупроводниковых приборов 7, 8 (например МДП-транзисторов) соответственно, обеспечивая их поочередное переключение.

Замкнутый ключ 5 осуществляет увеличение энергии трансформатора 15 и первого конденсатора 13 в цепи "выводы источника питания (постоянного напряжения) 1 - первый конденсатор 13 - контур с ключом 5, первичной обмоткой трансформатор 15 и вторым конденсатором 14". При этом одновременно происходит отдача части энергии второго конденсатора 14 по контуру "второй конденсатор 14 - ключ 5 - первичная обмотка трансформатора 15". На этом этапе выпрямительный диод 16 заперт напряжением обратного смещения, а к выводам нагрузки 18 энергия поступает из конденсатора 17.

Замкнутый ключ 6 осуществляет передачу энергии источника питания 1, первого конденсатора 13 и трансформатора 15 к нагрузке и увеличение энергии второго конденсатора 14 в цепи "выводы источника питания 1 - второй конденсатор 14 - контур с ключом 6, первичной обмоткой трансформатора 15 и первым конденсатором 13". К выводам нагрузки 18 энергия поступает из вторичной обмотки трансформатора 15 и конденсатора 17.

Передаточная характеристика при предлагаемом способе обратноходового преобразования и регулирования постоянного напряжения в упрощенном виде линейна по коэффициенту заполнения периода K₃ = T₁/(T₁ + T₂)
U_вых/U_пит = K_трK_э,
где
U_вых, U_пит - напряжения выходное и источника питания;
K_тр - коэффициент трансформации трансформатора;
T₁ и T₂ - длительности этапов периода преобразования.

Ток выпрямительного диода 16 является комбинацией передаваемых долей тока источника питания, второго конденсатора стойки и тока намагничивания трансформатора и плавно нарастает от нулевого уровня (I₁₆), а при полупериоде колебаний контура с емкостями первого 13 и второго 14 конденсаторов и индуктивностью рассеивания трансформатора 15, меньшем второго этапа периода, спадает до нулевого уровня к его концу, что способствует мягкому переключению диодами ключей.

Формирование траектории переключения полупроводниковых приборов ключей и качество преобразования напряжения обеспечиваются определенной задержкой фронта напряжения одного импульса управления U₃ (U₄) относительно среза напряжения другого импульса управления U₄ (U₃). В начале каждого этапа периода после запирания транзистора 7 (8) ток контура этапа "конденсатор 13 (14) - первичная обмотка трансформатора 15 - ключ 5 (6)" разделяется в середине стойки ключей, производя перезарядку конденсатора ключей - заряду конденсатора 9 (10) и разрядку конденсатора 10 (9). При этом напряжения на ключах изменяются по квазилинейному закону. Когда конденсатор 10 (9) полностью разрядится до нуля, а конденсатор 9 (10) зарядится до напряжения питания, ток продолжает свой путь через диод 12 (11), ограничивая напряжение на ключах. Во время этой фазы этапа подается фронт импульса управления U₄ (U₃) и включение транзистора 8 (7) происходит при нуле напряжения (U₈, U₇).

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет реализовать предложенный способ, обеспечивающий преобразование постоянного напряжения с улучшенными эффективностью, надежностью и качеством электропитания.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразователям постоянного напряжения в постоянное и регуляторам напряжения, и может быть использовано в системах электропитания и электропривода. В способе импульсного обратноходового преобразования постоянного напряжения на первом этапе периода периодического процесса происходит увеличение магнитной энергии трансформатора и энергии первого конденсатора при подключении трансформатора к источнику питания через замкнутый регулирующий ключ и первый конденсатор и снижение энергии второго конденсатора, подключаемого к трансформатору замкнутым регулирующим ключом, а на втором этапе периода полученная на первом этапе доза магнитной энергии трансформатора, вторая доза энергии источника и часть энергии первого конденсатора передаются к нагрузке и увеличивают энергию второго конденсатора при разомкнутом состоянии регулирующего ключа и подключении трансформатора замкнутым передающим ключом к источнику питания через второй конденсатор и к первому конденсатору. Дополнительно вводятся определенные коммутационные задержки по управлению на поочередное переключение полупроводниковых приборов ключей и формируются траектории переключения этих полупроводниковых приборов подключением к ним емкостей, а также устанавливается полупериод колебаний контура емкостей первого и второго конденсаторов и индуктивностей рассеивания трансформатора меньшим длительности второго этапа периода. При этом энергия из источника питания потребляется на обоих этапах периода, энергии трансформатора, первого и второго конденсаторов колеблются относительно своих средних значений, а напряжения на разомкнутых регулирующем и передающем ключах не превышают напряжение питания, причем имеют трапецеидальную фирму с плоской вершиной без выбросов, что обеспечивает безопасность траектории полупроводникового прибора ключа и возможность получения нескольких выходных каналов с точным согласованием. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ обратноходового импульсного преобразования постоянного напряжения, в соответствии с которым на первом этапе периода периодического процесса осуществляют накопление энергии в трансформаторе путем подключения его первичной обмотки к источнику постоянного напряжения через замкнутый регулирующий ключ, на втором этапе периода энергию, накопленную на первом этапе периода, передают к нагрузке при разомкнутом состоянии регулирующего ключа от вторичной обмотки трансформатора через выпрямительный диод, отличающийся тем, что на первом этапе периода накопление энергии осуществляют через включенный в контур передачи энергии между источником постоянного напряжения и первичной обмоткой трансформатора первый конденсатор, при этом осуществляют на нем накопление энергии, кроме того, на первом этапе периода осуществляют передачу дополнительной дозы энергии в первичную обмотку трансформатора от второго конденсатора через замкнутый регулирующий ключ, на втором этапе периода осуществляют передачу дополнительной дозы энергии в первичную обмотку трансформатора и накопление энергии на втором конденсаторе от источника постоянного напряжения и первого конденсатора через замкнутый передающий ключ, который находится в разомкнутом состоянии на первом этапе периода, при этом между этапами периодов вводят коммутационные задержки по управлению, в течение которых сигналы управления передающим и регулирующим ключами соответствуют их разомкнутому состоянию, во время которых обеспечивают изменение величин напряжений на их силовых выводах от соответствующих предыдущему этапу периода до соответствующих следующему этапу периода за счет соответственно накопления и отдачи энергии включенных параллельно передающему и регулирующему ключам соответствующих конденсаторов и встречно-параллельных диодов. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что устанавливают полупериод колебаний контура емкостей первого и второго конденсаторов и индуктивностей рассеивания трансформаторов меньшими длительности второго этапа периода.