ИМПУЛЬСНЫЙ РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК H02M3/10 

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

Известен импульсный регулятор напряжения, содержащий ключевой транзистор, LC-фильтр, обратный диод, шунтирующую его последовательную цепь из диода и конденсатора, зарядную цепь, выполненную в виде последовательно соединенных дросселя и диода (авторское свидетельство СССР N 1201977, кл. H 02 М 3/145, 1984) [1].

Недостатком такого регулятора является ограниченный диапазон регулирования и повышенные пульсации тока в нагрузке из-за протекания импульсного тока заряда конденсатора через нагрузку.

Наиболее близким аналогом предлагаемому техническому решению является импульсный регулятор напряжения, содержащий входной, общий и выходной выводы для подключения соответственно источника питания и активно-индуктивной нагрузки, ключевой транзистор, коллектором подключенный к входному выводу, а базой - к источнику управляемого сигнала, обратный диод, включенный между общим выводом и эмиттером транзистора и зашунтированный цепочкой из последовательно соединенных первого конденсатора и первого диода, включенного в том же направлении, цепь рекуперации, выполненную в виде последовательно соединенных дросселя и второго диода, включенного в том же направлении, что и обратный диод, а также второй конденсатор, одним выводом соединенный со свободным выводом указанного дросселя, причем свободный вывод второго диода подключен к общей точке соединения указанных первых конденсатора и диода, третий диод, включенный в обратном направлении относительно второго диода между общей точкой соединения дросселя со вторым конденсатором и общей точкой соединения обратного диода, эмиттера транзистора и первого конденсатора, образующей указанный выходной вывод, причем другой вывод второго конденсатора соединен с входным выводом (патент СССР N 1820985, 1991 г.) [2].

Недостатком данного устройства является наличие экстратоков во время восстановления запирающих свойств обратного диода при включении транзистора, что ограничивает номенклатуру применяемых управляемых ключей (ключи должны иметь широкую - прямоугольную в координатах "ток - напряжение" - область безопасной работы).

Задача, решаемая изобретением, - расширение номенклатуры применяемых управляемых ключей, в т.ч. возможность применения ключей с ограниченной скоростью нарастания тока в момент включения, например, запираемых тиристоров.

Поставленная задача решена за счет того, что в известный импульсный регулятор напряжения, содержащий входной, общий и выходной выводы для подключения соответственно источника питания и активно-индуктивной нагрузки, первый управляемый ключ, одним выводом подключенный к входному выводу, а управляющим выводом - к первому выходу источника управляющих сигналов, обратный диод, включенный между общим и выходным выводами, первый диод, включенный в обратном направлении по отношению к обратному диоду, одним выводом соединенный со свободным выводом первого управляемого ключа, а другим выводом через первый конденсатор - с входным выводом, второй диод, одним выводом соединенный с общим выводом согласно обратному диоду, а другим выводом через второй конденсатор - со свободным выводом первого управляемого ключа, цепь рекуперации из последовательно соединенных первого дросселя и третьего диода, свободным выводом соединенного с общей точкой второго диода и второго конденсатора согласно обратному диоду, дополнительно введены второй дроссель, включенный между свободным выводом первого управляемого ключа и выходным выводом, четвертый диод, включенный согласно обратному диоду между входным и выходным выводами, второй управляемый ключ, одним выводом соединенный со свободным выводом первого дросселя, вторым выводом - с общей точкой соединения первого диода и первого конденсатора, а управляющим выводом - со вторым выходом источника управляющих сигналов.

Увеличение КПД импульсного регулятора напряжения достигается включением дополнительного рекуперационного трансформатора, первичная обмотка которого включена последовательно с четвертым диодом, а вторичная обмотка одним концом соединена с входным выводом, а свободным концом - с дополнительно введенным пятым диодом, свободный вывод которого подключен к общему выводу согласно обратному диоду.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого импульсного регулятора напряжения; на фиг. 2 - то же, с дополнительным рекуперационным трансформатором; на фиг. 3 - кривые токов и напряжений.

Импульсный регулятор напряжения (фиг. 1) содержит входной 1, общий 2 и выходной 3 выводы для подключения соответственно источника питания 4 и активно-индуктивной нагрузки 5, обратный диод 6, управляемый ключ 7, источник управляющих сигналов 8 с выходами 9 и 10, дроссель 11, диод 12, шунтирующую ключ 7 цепь из последовательно соединенных диода 13 и конденсатора 14, цепь из последовательно соединенных конденсатора 15 и диода 16, цепь рекуперации из последовательно соединенных управляемого ключа 17, дросселя 18 и диода 19.

На фиг. 2 представлен вариант импульсного регулятора напряжения, в котором последовательно с диодом 12 включена первичная обмотка дополнительно введенного рекуперационного трансформатора 20, вторичная обмотка которого одним концом соединена с входным выводом 1, а свободным концом - с дополнительно введенным диодом 21, свободный вывод которого подключен к общему выводу 2 согласно обратному диоду 6.

Импульсный регулятор напряжения (фиг. 1) работает следующим образом.

Источник управляющего сигнала 8 по выходу 9 замыкает и размыкает ключ 7, поддерживая на нагрузке 5 требуемое среднее напряжение (ток) за счет изменения скважности замкнутого состояния ключа 7. В установившемся режиме перед замыканием ключа 7 ток протекает через нагрузку 5 и обратный диод 6, конденсатор 14 заряжен до напряжения выше напряжения источника питания, конденсатор 15 заряжен до некоторого отрицательного напряжения, ключ 17 разомкнут, ток i₁₁ дросселя 11 и ток i₁₈ дросселя 18 равны нулю. В момент времени t₀ (см. фиг. З) источник управляющего сигнала 8 по выходу 9 замыкает ключ 7 и ток i₁₁ в дросселе 11 начинает нарастать, а ток i₆ в обратном диоде 6 соответственно начинает уменьшаться, причем скорость изменения тока di₆/dt зависит обратно пропорционально от величины индуктивности дросселя 11. В момент времени t₀ источник управляющего сигнала 8 по выходу 10 включает также ключ 17 и начинается перезарядка конденсаторов 14, 15 по цепи: конденсатор 14 - ключ 17 - дроссель 18 - диод 19 - конденсатор 15 - ключ 7.

В момент времени t₁ ток i₆ обратного диода 6 становится равным нулю и начинается процесс запирания обратного диода 6 обратным током, причем ток дросселя 11 равен сумме токов обратного диода 6 и тока нагрузки 5. В момент времени 12 происходит восстановление запирающих свойств обратного диода 6, и часть тока i₁₁ дросселя 11, равная разности токов дросселя 11 и активно-индуктивной нагрузки 5, замыкается по цепи: дроссель 11 - ключ 7 - диод 12.

В случае равенства емкостей конденсаторов 14, 15 в момент времени t₃ конденсатор 14 разрядится до нуля, конденсатор 15 зарядится до напряжения источника питания 4, ток дросселя 18 замкнется по цепи: дроссель 18 - диод 19 - диод 16 - источник питания 4 - ключ 7 - диод 13 - ключ 17. К дросселю 18 прикладывается напряжение источника питания 4, ток в дросселе 18 линейно уменьшается и в момент времени t₄ становится равным нулю. К диодам 16, 19, 13 прикладывается обратное напряжение, они запираются, после чего в момент времени t₅ источник управляющего сигнала 8 по выходу 10 размыкает ключ 17.

В момент времени t₆ источник управляющего сигнала 8 по выходу 9 размыкает ключ 7, открываются диоды 13, 16, ток дросселя 11 заряжает конденсатор 14 и разряжает конденсатор 15. Т.к. диод 12 открыт, напряжение конденсатора 14 прикладывается к дросселю 11, ток в нем уменьшается и в момент времени t₇ ток в дросселе 11 становится равным току нагрузки 5, диод 12 закрывается. Когда напряжение на конденсаторе 14 станет равным напряжению источника питания 4, а напряжение на конденсаторе 15 достигнет нуля (момент времени t₈), откроется обратный диод 6 и ток в дросселе 11 начнет уменьшаться, а ток через обратный диод 6 - соответственно увеличиваться. В момент времени t₉ ток в дросселе 11 упадет до нуля, конденсатор 14 зарядится до напряжения, большего чем напряжение источника питания 4, конденсатор 15 зарядится до некоторого отрицательного напряжения, весь ток нагрузки замкнется через диод 6, закроются диоды 13, 16. В момент времени t₁₀ источник управляющего сигнала 8 по выходу 9 снова замыкает ключ 7 и начинается следующий период работы импульсного регулятора напряжения.

Для уменьшения мощности потерь в диоде 12, дросселе 11 и ключе 7 в интервале времени t₂ - t₇ и увеличения общего КПД, а также для уменьшения амплитуды выбросов напряжения на ключе 7 последовательно с диодом 12 включена первичная обмотка дополнительно введенного рекуперационного трансформатора 20 (фиг. 2), вторичная обмотка которого через диод 21, включенный согласно обратному диоду 6, подключена к источнику питания 4. В результате энергия, накопленная в дросселе 11 во время восстановления запирающих свойств обратного диода 6, возвращается обратно в источник питания 4, ток диода 12 падает до нуля, ток дросселя 11 (и ключа 7) уменьшается и становится равным току нагрузки 5. Это приводит к уменьшению мощности потерь в элементах 7, 11, 12 во время открытого состояния ключа 7 и уменьшению амплитуды напряжения на ключе 7 (конденсаторах 14, 15).

Таким образом, выбирая величину индуктивности 11, можно получить необходимое ограничение скорости нарастания тока через ключ 7 при его замыкании, а при размыкании ключа 7 выбором величин конденсаторов 14, 15 можно получить необходимое ограничение скорости нарастания напряжения на ключе 7, поэтому в качестве управляемого ключа 7 можно применять наряду с транзисторами запираемые тиристоры - самые мощные на сегодняшний день полностью управляемые полупроводниковые ключи, но имеющие ограничения по скорости нарастания тока и напряжения.

Введение дополнительного рекуперационного трансформатора 20 и диода 21 приводит к увеличению общего КПД и уменьшению амплитуды напряжения на ключе 7.

Наиболее целесообразно применение данного изобретения в импульсных регуляторах напряжения, преобразователях частоты и напряжения, электроприводах большой мощности, например в системах электропривода железнодорожного транспорта.

Использованные источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 1201977, МКИ: H 02 М 3/145, 1984.

2. Патент СССР N 1820985, МКИ: H 02 М 3/145, 1991.

Изобретение может быть использовано в источниках вторичного электропитания. Технический результат - расширение номенклатуры применяемых управляемых ключей, в т.ч. возможность применения ключей с ограниченной скоростью нарастания тока в момент включения, например, запираемых тиристоров. Импульсный регулятор напряжения содержит выводы для подключения источника питания и активно-индуктивной нагрузки, первый управляемый ключ, одним выводом подключенный к входному выводу, а управляющим выводом - к первому выходу источника управляющих сигналов, обратный диод, включенный между общим и выходным выводами, первый диод, включенный в обратном направлении по отношению к обратному диоду, одним выводом соединенный со свободным выводом первого управляемого ключа, а другим выводом через первый конденсатор - с входным выводом, второй диод, одним выводом соединенный с общим выводом согласно обратному диоду, а другим выводом через второй конденсатор - со свободным выводом первого управляемого ключа, цепь рекуперации из последовательно соединенных первого дросселя и третьего диода, свободным выводом соединенного с общей точкой второго диода и второго конденсатора согласно обратному диоду, второй дроссель, включенный между свободным выводом первого управляемого ключа и выходным выводом, четвертый диод, включенный согласно обратному диоду между входным и выходным выводами, второй управляемый ключ, одним выводом соединенный со свободным выводом первого дросселя, вторым выводом - с общей точкой соединения первого диода и первого конденсатора, а управляющим выводом - с вторым выходом источника управляющих сигналов. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Импульсный регулятор напряжения, содержащий входной, общий и выходной выводы для подключения соответственно источника питания и активно-индуктивной нагрузки, первый управляемый ключ, одним выводом подключенный к входному выводу, а управляющим выводом - к первому выходу источника управляющих сигналов, обратный диод, включенный между общим и выходным выводами, первый диод, включенный в обратном направлении по отношению к обратному диоду, одним выводом соединенный со свободным выводом первого управляемого ключа, а другим выводом через первый конденсатор - с входным выводом, второй диод, одним выводом соединенный с общим выводом согласно обратному диоду, а другим выводом через второй конденсатор - со свободным выводом первого управляемого ключа, цепь рекуперации из последовательно соединенных первого дросселя и третьего диода, свободным выводом соединенного с общей точкой второго диода и второго конденсатора согласно обратному диоду, отличающийся тем, что дополнительно введены второй дроссель, включенный между свободным выводом первого управляемого ключа и выходным выводом, четвертый диод, включенный согласно обратному диоду между входным и выходным выводами, второй управляемый ключ, одним выводом соединенный со свободным выводом первого дросселя, вторым выводом - с общей точкой соединения первого диода и первого
конденсатора, а управляющим выводом - с вторым выходом источника управляющих сигналов. 2. Импульсный регулятор по п.1, отличающийся тем, что последовательно с четвертым диодом включена первичная обмотка дополнительно введенного трансформатора, вторичная обмотка которого одним концом соединена с входным выводом, а свободным концом - с дополнительно введенным пятым диодом, свободный вывод которого подключен к общему выводу согласно обратному диоду.