ПОВЫШАЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ Российский патент 2003 года по МПК H02M3/08 H02M3/335 

Изобретение относится к электронике и может быть использовано в системах питания приборов с низким напряжением в качестве повышающего преобразователя постоянного напряжения в постоянное, например, в автомобильной технике, в телекоммуникационном оборудовании.

Известен однотактный преобразователь постоянного напряжения в постоянное, содержащий управляемый силовой ключ, подключенный к входным выводам через первую первичную обмотку трансформатора, первый вывод второй первичной обмотки которого подключен к цепи, состоящей из последовательно соединенного дросселя и первого диода, которая через конденсатор подключена к выходу управляемого силового ключа, шунтированного вторым диодом, и через третий диод к входному выводу, к первой первичной обмотке трансформатора, вторичная обмотка которого через четвертый диод и фильтр подключена к выходным выводам (см. а.с. СССР 1775814, H 02 M 3/335, 1991 г.)
Недостатки данного преобразователя заключаются в снижении надежности и КПД из-за импульсных перегрузок и помех во время переключения транзистора.

Известен однотактный преобразователь постоянного напряжения в постоянное, содержащий управляемый силовой ключ, выход которого подключен через первичную обмотку трансформатора к первому входному выводу, к катоду первого диода, анод которого подключен через последовательно соединенные конденсатор и первый дроссель к выходу управляемого силового ключа и через второй дроссель ко второму входному выводу, ко входу управляемого силового ключа, управляющий вход которого подключен к входу управления преобразователя, вторичная обмотка трансформатора подключена через второй диод к нагрузке (см. п. России 2069445, Н 02 М 3/335, 1996 г.)
Недостатки преобразователя заключаются в снижении надежности из-за пульсаций напряжения во время переключения транзистора, в ограничении области применения из-за низкой частоты переключении.

Известен однотактный преобразователь постоянного напряжения в постоянное для низкого напряжения, содержащий подключенные к входным выводам последовательно соединенные первый и второй управляемые силовые ключи, каждый из которых шунтирован цепочкой, состоящей из конденсатора и одной из двух первичной обмотки трансформатора, при этом выводы конденсаторов, не связанные с входными выводами, объединены, первая и вторая вторичные обмотки трансформатора одними выводами подключены через соответствующие первый и второй управляемые силовые ключи к первому выходному выводу, другие выводы первой и второй вторичных обмоток трансформатора объединены и подключены ко второму выходному выводу (см. п. США 5481449, НКИ 363-17, 1996 г.).

Недостатки преобразователя заключаются в емкостных потерях при включении и помехах из-за резких изменений напряжения при переключении, вследствие чего снижается надежность и КПД преобразователя.

Известен повышающий преобразователь для низкого напряжения, содержащий подключенные к источнику постоянного напряжения последовательно соединенные первичную обмотку трансформатора и управляемый силовой ключ, первый вывод вторичной обмотки трансформатора подключен к выходу управляемого силового ключа, к аноду первого диода, к первому выводу первого конденсатора, второй вывод вторичной обмотки трансформатора подключен к аноду второго диода, катод которого подключен к второму выводу первого конденсатора, к аноду третьего диода, катод которого подключен к катоду первого диода, к входу блока управления и через второй конденсатор подключен к входу управляемого силового ключа, при этом выход блока управления подключен к входу управляемого силового ключа (см. п. США 6175219, НКИ 323-222, 2000 г.).

Недостатки преобразователя заключаются в перенапряжении, а также больших пульсациях, возникающих на силовом ключе при его переключении. Кроме того, регулировочные характеристики его зависят от нагрузки, и при ее изменениях частота переключении должна регулироваться в широких пределах для обеспечения стабилизации выходного напряжения.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение КПД и надежности за счет снижения пульсаций и перенапряжений на силовом ключе.

Результат достигается тем, что в повышающий преобразователь постоянного напряжения в постоянное, содержащий управляемый силовой ключ, вход которого подключен к общей шине, управляющий вход - к входу управления повышающего преобразователя, выход через первичную обмотку трансформатора подключен к входному выводу, к первому выводу вторичной обмотки трансформатора, к аноду первого диода, катод которого через конденсатор подключен к общей шине, второй вывод вторичной обмотки трансформатора подключен к аноду второго диода, а также третий диод, катод которого подключен к выходному выводу, введены индуктивность и четвертый диод, причем первый вывод индуктивности подключен к точке соединения катода первого диода и конденсатора, второй вывод через прямовключенный четвертый диод подключен к выходному выводу, к которому подключен катод второго диода, анод третьего диода подключен к точке соединения первичной и вторичной обмоток трансформатора.

Суммарная энергия индуктивности рассеивания обмоток трансформатора и частично энергия намагничивания первичной обмотки его передается в нагрузку во время закрытого состояния ключа (паузы), и преобразователь работает как повышающий, т.е. потери преобразуются в выходное напряжение.

На фиг. 1 представлена электрическая схема повышающего преобразователя постоянного напряжения в постоянное, на фиг.2а-д - диаграммы, поясняющие его работу (на фиг. 2а - диаграмма выходного напряжения на управляемом силовом ключе, на фиг.2б - диаграмма выходного тока управляемого силового ключа, на фиг. 2в - диаграмма тока первого диода, на фиг.2г - диаграмма токов второго, третьего и четвертого диодов, на фиг.2д - диаграмма напряжения на конденсаторе).

Повышающий преобразователь содержит управляемый силовой ключ 3, выход которого подключен через первичную обмотку 2 трансформатора 5 к входному выводу 1, вход управляемого силового ключа 3 подключен к общей шине 14, управляющий вход его подключен к входу управления 4 преобразователя, выход силового ключа 3 подключен к аноду первого 9 диода, к первому выводу вторичной обмотки 6 трансформатора 5, к аноду третьего 8 диода, катод которого подключен к выходному выводу 13, к которому через встречновключенный второй 7 диод подключен второй вывод вторичной 6 обмотки трансформатора 5, катод первого 9 диода подключен через конденсатор 10 к общей шине 14 и через цепь, состоящую из последовательно соединенных индуктивности 11 и прямовключенного четвертого диода 12, - к выходному выводу, к которому подключена нагрузка.

В качестве ключа выбран МОП-транзистор, имеющий "паразитный" диод на выходе. Для бесперебойной работы преобразователя коэффициент трансформации выбирают из расчета t имп/t паузы 5.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии токи в обмотках 2 и 6 трансформатора 5 отсутствуют. При подаче управляющего сигнала на вход 4 управляемого силового ключа 3 последний открывается и ток через ключ 3 нарастает от нуля (фиг.2б). На вторичной обмотке 6 наводится эдс, и через диод 7 протекает ток (фиг.2г) по цепи - обмотка 6, диод 7, нагрузка 13, общая шина 14, "паразитный" диод ключа 3.

При переходе силового ключа 3 из открытого состояния в закрытое напряжение на нем нарастает плавно (фиг.2а), т.к. параллельно ключу 3 подключен через диод 9 конденсатор 10, при этом ток стока ключа 3 практически мгновенно спадает до нуля (фиг.2б). При выключении ключа 3 напряжение на нем увеличивается, но открывается диод 9 (фиг.2в), и происходит заряд конденсатора 10 (фиг. 2д), сдерживающий нарастание напряжения на ключе 3 и гарантируя выключение его при малых уровнях напряжения.

Перекрытие времен спадания тока через ключ 3 и увеличения напряжения на нем, таким образом, существенно уменьшается, поэтому и коммутационные потери при выключении практически отсутствуют.

За счет энергии, накопленной во вторичной обмотке 6 трансформатора 5, ток через диод 7 некоторое время будет протекать (постепенно спадая до нуля) (фиг. 2г). При этом диод 8 закрыт. Как только ток через диод 7 спадет до нуля, открывается диод 8 и через него в нагрузку 13 будет протекать ток за счет энергии, накопленной в индуктивности первичной обмотки 2 трансформатора 5. В это же время конденсатор 10 начинает разряжаться через индуктивность 11, диод 12 на нагрузку 13, при этом индуктивность 11 сдерживает ток. В результате во время паузы в нагрузку передается суммарная энергия индуктивности рассеивания обмоток 2 и 6 трансформатора 5 и частично энергия намагничивания обмотки 2, преобразователь работает как повышающий. Энергия, которая должна пойти на нагрев, преобразуется в выходное напряжения. В нагрузку передается значительная часть энергии возможных коммутационных потерь, на управляемом силовом ключе 3 снимаются перенапряжения и меньше пульсации, в результате повышается надежность и КПД преобразователя.

В следующий момент включения ключа 3 ток через диод 8 еще некоторое время будет протекать, постепенно спадая до нуля. Ток через индуктивность 11 и диод 12 и нагрузку протекает непрерывно (фиг.2г), имеет пульсирующую форму за счет обмена энергиями в конденсаторе 10 и индуктивности 11.

На основе однотактного преобразователя повышающего типа создан преобразователь, который является псевдодвухтактным и которому присущи низкие потери при переключении, т. к. переключение силового ключа происходит при нулевом напряжении. Рабочая частота повышающего преобразователя остается постоянной, т.е. преобразователь не требует настройки и регулировки.

Изобретение относится к электронике и может быть использовано в системах питания приборов с низким напряжением в качестве повышающего преобразователя постоянного напряжения в постоянное, например, в автомобильной технике, в телекоммуникационном оборудовании. Техническим результатом является повышение КПД и надежности за счет снижения пульсаций и перенапряжений на силовом ключе. В повышающий преобразователь постоянного напряжения в постоянное, содержащий управляемый силовой ключ, вход которого подключен к общей шине, управляющий вход - к входу управления повышающего преобразователя, выход через первичную обмотку трансформатора подключен к входному выводу, к первому выводу вторичной обмотки трансформатора, к аноду первого диода, катод которого через конденсатор подключен к общей шине, второй вывод вторичной обмотки трансформатора подключен к аноду второго диода, введен третий диод, катод которого подключен к выходному выводу, и индуктивность, и четвертый диод. Суммарная энергия индуктивности рассеивания обмоток трансформатора и частично энергия намагничивания его первичной обмотки передается в нагрузку во время закрытого состояния силового ключа (паузы), и преобразователь работает как повышающий, т.е. потери преобразуются в выходное напряжение. 2 ил.

Повышающий преобразователь постоянного напряжения в постоянное, содержащий управляемый силовой ключ, вход которого подключен к общей шине, управляющий вход - к входу управления повышающего преобразователя, выход через первичную обмотку трансформатора подключен к входному выводу, к первому выводу вторичной обмотки трансформатора, к аноду первого диода, катод которого через конденсатор подключен к общей шине, второй вывод вторичной обмотки трансформатора подключен к аноду второго диода, а также третий диод, катод которого подключен к выходному выводу, отличающийся тем, что введены индуктивность и четвертый диод, причем первый вывод индуктивности подключен к точке соединения катода первого диода и конденсатора, второй вывод через прямовключенный четвертый диод подключен к выходному выводу, к которому подключен катод второго диода, анод третьего диода подключен к точке соединения первичной и вторичной обмоток трансформатора.