ИМПУЛЬСНЫЙ РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ ПОВЫШАЮЩЕГО ТИПА С НЕПРЕРЫВНЫМ ВЫХОДНЫМ ТОКОМ И РАСШИРЕННЫМ ДИАПАЗОНОМ РЕГУЛИРОВАНИЯ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2007 года по МПК H02M3/335 

Область техники

Изобретение относится к DC-DC преобразователям и может быть использовано в источниках вторичного электропитания.

Предшествующий уровень техники

Известен импульсный регулятор напряжения повышающего типа, содержащий входной, общий и выходной выводы для подключения соответственно источника питания и нагрузки, дроссель, одним выводом подключенный к входному выводу, другим выводом через диод к выходному выводу, управляемый ключ, одним выводом подключенный к общему выводу, вторым выводом подключенный в точку соединения дросселя и диода, а управляющим выводом - к выходу источника управляющих сигналов, конденсатор выходного фильтра, включенный между общим и выходным выводами (Источники вторичного электропитания. / С.С.Букреев, В.А.Головацкий, Г.Н.Гулякович и др. Под ред. Ю.И.Конева. М., Радио и связь, 1983, стр.80).

При замкнутом управляемом ключе к дросселю приложено напряжение источника питания и ток в дросселе увеличивается, при размыкании управляемого ключа открывается диод и ток дросселя замыкается через нагрузку, конденсатор фильтра и источник питания, при этом к дросселю приложена разность входного и выходного напряжений и ток дросселя уменьшается.

Недостатком такого регулятора является импульсная подзарядка конденсатора выходного фильтра, что требует применения конденсатора большой емкости и является причиной больших пульсаций выходного напряжения.

Известен также импульсный регулятор напряжения повышающего типа с непрерывным выходным током, содержащий входной, общий и выходной выводы для подключения соответственно источника питания и нагрузки, дроссель, одним выводом подключенный к входному выводу, другим выводом через первый диод к выходному выводу, конденсатор выходного фильтра, включенный параллельно нагрузке, управляемый ключ, одним выводом подключенный к общему выводу, управляющим выводом - к выходу источника управляющих сигналов, трансформатор тока, второй и третий диоды, причем начало первичной обмотки трансформатора тока соединено со свободным выводом управляемого ключа, конец - с точкой соединения дросселя и первого диода, начало вторичной обмотки трансформатора тока соединено с входным выводом, конец через второй диод, включенный встречно первому диоду, соединен с выходным выводом и через третий диод, включенный согласно второму диоду, соединен с общим выводом (Патент RU 2241299 С1 «Импульсный регулятор напряжения повышающего типа»).

Недостатком данного импульсного регулятора напряжения является узкий диапазон регулирования выходного напряжения при работе в режиме непрерывного выходного тока.

Задача, решаемая изобретением, - расширение диапазона регулирования выходного напряжения в режиме непрерывного выходного тока.

Раскрытие изобретения

Поставленная задача решена за счет того, что в известный импульсный регулятор напряжения повышающего типа, содержащий входной, общий и выходной выводы для подключения соответственно источника питания и нагрузки, конденсатор выходного фильтра, включенный параллельно нагрузке, дроссель, одним выводом подключенный к входному выводу, другим выводом к аноду первого диода, первый управляемый ключ, одним выводом подключенный к общему выводу, управляющим выводом - к выходу первого источника управляющих сигналов, свободным выводом - к началу первичной обмотки трансформатор тока, конец которой подключен к точке соединения дросселя и анода первого диода, начало вторичной обмотки трансформатора тока соединено с входным выводом, конец - с анодом второго диода, катод которого соединен с катодом первого диода, третий диод, анодом подключенный к общему выводу, катодом соединенный с концом вторичной обмотки трансформатора тока и анодом второго диода, дополнительно введены трансформатор, содержащий первую и вторую обмотки, второй и третий управляемые ключи, второй источник управляющих сигналов, четвертый и пятый диоды, причем точка соединения конца первой обмотки и начала второй обмотки трансформатора соединена с катодами первого и второго диодов, начало первой обмотки трансформатора соединено через второй управляемый ключ с общим выводом, а через четвертый диод, включенный согласно первому диоду, - с выходным выводом, конец второй обмотки соединен через третий управляемый ключ с общим выводом, а через пятый диод, включенный согласно первому диоду, - с выходным выводом, управляющие выводы второго и третьего управляющих ключей соединены со вторым источником управляющих сигналов.

С целью повышения напряжения на нагрузке второй управляемый ключ, одним выводом подключенный к общему выводу, может быть подключен другим выводом к отводу первой обмотки трансформатора, а третий управляемый ключ, одним выводом подключенный к общему выводу, другим выводом может быть подключен к отводу второй обмотки трансформатора.

Для расширения области применения импульсного регулятора напряжения повышающего типа на случаи, когда необходима рекуперация в источник питания энергии, генерируемой нагрузкой (например, когда нагрузкой служит электродвигатель), в схему дополнительно введены четвертый управляемый ключ, одним выводом подключенный к выходному выводу, третий источник управляющих сигналов, соединенный с управляющим выводом четвертого управляемого ключа, шестой диод, анодом соединенный с общим выводом, катодом - со свободным выводом четвертого управляемого ключа и точкой соединения дросселя, анода первого диода и конца первичной обмотки трансформатора тока.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена схема предлагаемого импульсного регулятора напряжения повышающего типа с расширенным диапазоном регулирования выходного напряжения в режиме непрерывного выходного тока, на фиг.2 - то же, с подключением второго и третьего управляемых ключей к отводам первой и второй обмоток трансформатора соответственно, на фиг.3 - схема импульсного регулятора напряжения повышающего типа с расширенным диапазоном регулирования выходного напряжения и рекуперацией энергии, генерируемой нагрузкой, в источник питания.

Примеры осуществления изобретений

Вариант 1.

Импульсный регулятор напряжения повышающего типа с расширенным диапазоном регулирования выходного напряжения (фиг.1) содержит входной 1, общий 2 и выходной 3 выводы для подключения соответственно источника питания 4 и нагрузки 5, конденсатор 6 выходного фильтра, включенный параллельно нагрузке 5, дроссель 7, одним выводом подключенный к входному выводу 1, другим выводом - к аноду диода 8, управляемый ключ 9, одним выводом подключенный к общему выводу 2, управляющим выводом - к выходу источника управляющих сигналов 10, другим выводом - через первичную обмотку трансформатора тока 11 к точке соединения дросселя 7 и анода диода 8, диод 12, катодом подключенный к катоду диода 8, анодом - через вторичную обмотку трансформатора тока 11 к входному выводу 1, диод 13, анодом подключенный к общему выводу 2, а катодом - к точке соединения вторичной обмотки трансформатора тока 11 и анода диода 12, трансформатор 14, начало первой обмотки которого соединено через управляемый ключ 15 с общим выводом 2 и через диод 16 с выходным выводом 3, конец первой обмотки соединен с началом второй обмотки и с катодами диодов 8, 12, конец второй обмотки соединен через управляемый ключ 17 с общим выводом 2 и через диод 18 с выходным выводом 3, причем управляющие выводы управляемых ключей 15, 17 соединены с источником управляющих сигналов 19.

Импульсный регулятор напряжения повышающего типа работает следующим образом.

Напряжение на нагрузке 5 регулируется за счет изменения относительного времени замкнутого состояния управляемого ключа 9, элементы 4-13 составляют импульсный регулятор напряжения повышающего типа с непрерывным выходным током, трансформатор 14 и элементы 15-19 составляют повышающий конвертер тока. Действительно, при замкнутом управляемом ключе 9 ток дросселя 7 протекает по первичной обмотке трансформатора тока 11 и во вторичной обмотке трансформатора тока 11 возникает ток, который через диод 12 подается в точку соединения первой и второй обмоток трансформатора 14, при разомкнутом управляемом ключе 9 ток дросселя 7 подается через диод 8 в эту же точку, т.е. суммарный ток через диоды 8, 12 непрерывен. Диод 13 необходим для обратного перемагничивания сердечника трансформатора тока 11. При замкнутом управляемом ключе 15 и разомкнутом управляемом ключе 17 трансформатор 14 работает как повышающий автотрансформатор и часть тока, втекающего в общую точку первой и второй обмоток трансформатора 14, через диод 18 поступает в нагрузку 5 и конденсатор 6. При замкнутом управляемом ключе 17 и разомкнутом управляемом ключе 15 ток в нагрузку 5 и конденсатор 6 поступает через диод 16.

В частном случае, когда трансформатор тока 11 имеет единичный коэффициент трансформации, число витков первой и второй обмоток трансформатора 14 равны между собой, а время замкнутого и разомкнутого состояния управляемых ключей 15, 17 одинаково, справедливы следующие соотношения:

- суммарный ток через диоды 8, 12 равен току дросселя 7;

- суммарный ток через диоды 16, 18 (выходной ток импульсного регулятора напряжения повышающего типа) равен половине от тока дросселя 7;

- выходное напряжение U₅ (напряжение на нагрузке 5) связано с напряжением U₄ источника питания 4 следующим соотношением:

где γ - относительное время замкнутого состояния управляемого ключа 9.

Эти соотношения справедливы, пока γ<γ₀=0,618, т.е. 2U₄<U₅<3,2U₄.

При γ>γ₀ сердечник трансформатора тока 11 не успевает полностью перемагнититься во время разомкнутого состояния управляемого ключа 9, поэтому насыщается во время замкнутого состояния управляемого ключа 9. Как следствие наступает режим прерывистого выходного тока.

Можно отметить, что при γ=0 (когда управляемый ключ 9 постоянно разомкнут) выходное напряжение U₅ равно удвоенному напряжению источника питания 4, входной ток импульсного регулятора напряжения повышающего типа постоянен и равен удвоенному току нагрузки 5.

Если разомкнуть и удерживать разомкнутыми управляемые ключи 15, 17, то выходное напряжение U₅ будет связано с напряжением U₄ источника питания 4 следующим соотношением:

при условии 0<γ<γ₀, поэтому напряжение на нагрузке можно изменять в пределах U₄<U₅<1,6U₄.

Таким образом, введение в схему импульсного регулятора напряжения повышающего типа трансформатора 14, управляемых ключей 15, 17, диодов 16, 18 для рассмотренного частного случая позволяет получать в режиме непрерывного выходного тока напряжение на нагрузке 5 в пределах U₄<U₅<1,6U₄ и 2U₄<U₅<3,2U₄, что существенно больше, чем у прототипа (U₄<U₅<1,6U₄).

Для увеличения выходного напряжения возможно подключение управляемых ключей 15, 17 к отводам первой и второй обмоток трансформатора 14 соответственно (фиг.2). В результате увеличивается коэффициент передачи трансформатора 14 и выходное напряжение (напряжение на нагрузке 5) увеличивается.

Вариант 2

Импульсный регулятор напряжения повышающего типа с расширенным диапазоном регулирования выходного напряжения и возможностью рекуперации энергии, генерируемой нагрузкой, в источник питания приведен на фиг.3. Он содержит входной 1, общий 2 и выходной 3 выводы для подключения соответственно источника питания 4 и нагрузки 5, конденсатор 6 выходного фильтра, включенный параллельно нагрузке 5, дроссель 7, одним выводом подключенный к входному выводу 1, другим выводом - к аноду диода 8, управляемый ключ 9, одним выводом подключенный к общему выводу 2, управляющим выводом - к выходу источника управляющих сигналов 10, другим выводом - через первичную обмотку трансформатора тока 11 к точке соединения дросселя 7 и анода диода 8, диод 12, катодом подключенный к катоду диода 8, анодом - через вторичную обмотку трансформатора тока 11 к входному выводу 1, диод 13, анодом подключенный к общему выводу 2, а катодом - к точке соединения вторичной обмотки трансформатора тока 11 и анода диода 12, трансформатор 14, начало первой обмотки которого соединено через управляемый ключ 15 с общим выводом 2 и через диод 16 с выходным выводом 3, конец первой обмотки соединен с началом второй обмотки и с катодами диодов 8, 12, конец второй обмотки соединен через управляемый ключ 17 с общим выводом 2 и через диод 18 с выходным выводом 3, управляющие выводы управляемых ключей 15, 17 соединены с источником управляющих сигналов 19, управляемый ключ 20, одним выводом подключенный к выходному выводу 3, управляющим выводом - к источнику управляющих сигналов 21, свободным выводом - к точке соединения дросселя 7, анода диода 8, первичной обмотки трансформатора тока 11 и катода диода 22, анод которого соединен с общим выводом 2.

В случае, когда нагрузка 5 сама является генератором постоянного тока, для передачи энергии от нагрузки 5 в источник питания 4 (фиг.3) управляемые ключи 9, 15, 17 размыкаются, а управляемый ключ 20 с источником управляющих сигналов 21, диод 22 и дроссель 7 образуют импульсный регулятор напряжения понижающего типа. Источник управляющих сигналов 21 формирует управляющие импульсы таким образом, чтобы импульсный регулятор напряжения понижающего типа работал в режиме токоограничения.

Работа импульсного регулятора напряжения повышающего типа, когда нагрузка 5 потребляет энергию от источника 4 и управляемый ключ 20 постоянно разомкнут, не отличается от работы схемы, приведенной на фиг.1.

Промышленная применимость

Наиболее целесообразно применение данного изобретения в источниках бесперебойного питания, импульсных регуляторах напряжения повышающего типа большой мощности. В частности, при использовании предлагаемого импульсного регулятора повышающего типа совместно с частотным электроприводом возможно увеличение скорости вращения вала электродвигателя в два раза по сравнению с прототипом при сохранении момента на валу. Такой режим может быть использован в автомобиле с электроприводом (электромобиле) для создания режима форсированной мощности. В автомобиле с гибридным приводом целесообразно применение данного изобретения для согласования напряжения аккумуляторной батареи и входного напряжения частотного инвертора.

Изобретение относится к DC-DC преобразователям и может быть использовано в источниках вторичного электропитания. Технический результат - расширение диапазона регулирования выходного напряжения импульсного регулятора напряжения повышающего типа с непрерывным выходным током. Сущность изобретения состоит в том, что в известном импульсном регуляторе повышающего типа, содержащем входной, общий и выходной выводы для подключения соответственно источника питания и нагрузки, конденсатор выходного фильтра, включенный параллельно нагрузке, дроссель, одним выводом подключенный к входному выводу, другим выводом к аноду первого диода, первый управляемый ключ, одним выводом подключенный к общему выводу, управляющим выводом - к выходу первого источника управляющих сигналов, свободным выводом - к началу первичной обмотки трансформатора тока, конец которой подключен к точке соединения дросселя и анода первого диода, начало вторичной обмотки трансформатора тока соединено с входным выводом, конец - с анодом второго диода, катод которого соединен с катодом первого диода, третий диод, анодом подключенный к общему выводу, катодом соединенный с концом вторичной обмотки трансформатора тока и анодом второго диода, дополнительно введены трансформатор, содержащий первую и вторую обмотки, второй и третий управляемые ключи, второй источник управляющих сигналов, четвертый и пятый диоды, причем точка соединения конца первой обмотки и начала второй обмотки трансформатора соединена с катодами первого и второго диодов, начало первой обмотки трансформатора соединено через второй управляемый ключ с общим выводом, а через четвертый диод, включенный согласно первому диоду, - с выходным выводом, конец второй обмотки соединен через третий управляемый ключ с общим выводом, а через пятый диод, включенный согласно первому диоду, - с выходным выводом, управляющие выводы второго и третьего управляющих ключей соединены со вторым источником управляющих сигналов. Во втором варианте импульсного регулятора напряжения повышающего типа для рекуперации генерируемой нагрузкой энергии в источник напряжения дополнительно введены четвертый управляемый ключ и шестой диод, которые совместно с дросселем составляют импульсный регулятор напряжения понижающего типа. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Импульсный регулятор напряжения повышающего типа с непрерывным выходным током и расширенным диапазоном регулирования выходного напряжения, содержащий входной, общий и выходной выводы для подключения соответственно источника питания и нагрузки, конденсатор выходного фильтра, включенный параллельно нагрузке, дроссель, одним выводом подключенный к входному выводу, другим выводом к аноду первого диода, первый управляемый ключ, одним выводом подключенный к общему выводу, управляющим выводом - к выходу первого источника управляющих сигналов, свободным выводом - к началу первичной обмотки трансформатора тока, конец которой подключен к точке соединения дросселя и анода первого диода, начало вторичной обмотки трансформатора тока соединено с входным выводом, конец - с анодом второго диода, катод которого соединен с катодом первого диода, третий диод, анодом подключенный к общему выводу, катодом соединенный с концом вторичной обмотки трансформатора тока и анодом второго диода, отличающийся тем, что в него дополнительно введены трансформатор, содержащий первую и вторую обмотки, второй и третий управляемые ключи, второй источник управляющих сигналов, четвертый и пятый диоды, причем точка соединения конца первой обмотки и начала второй обмотки трансформатора соединена с катодами первого и второго диодов, начало первой обмотки трансформатора соединено через второй управляемый ключ с общим выводом, а через четвертый диод, включенный согласно первому диоду, - с выходным выводом, конец второй обмотки соединен через третий управляемый ключ с общим выводом, а через пятый диод, включенный согласно первому диоду, - с выходным выводом, управляющие выводы второго и третьего управляющих ключей соединены со вторым источником управляющих сигналов.2. Импульсный регулятор напряжения повышающего типа по п.1, отличающийся тем, что второй управляемый ключ, одним выводом подключенный к общему выводу, другим выводом подключен к отводу первой обмотки трансформатора, третий управляемый ключ, одним выводом подключенный к общему выводу, другим выводом подключен к отводу второй обмотки трансформатора.3. Импульсный регулятор напряжения повышающего типа с непрерывным выходным током и расширенным диапазоном регулирования выходного напряжения, содержащий входной, общий и выходной выводы для подключения соответственно источника питания и нагрузки, конденсатор выходного фильтра, включенный параллельно нагрузке, дроссель, одним выводом подключенный к входному выводу, другим выводом к аноду первого диода, первый управляемый ключ, одним выводом подключенный к общему выводу, управляющим выводом - к выходу первого источника управляющих сигналов, свободным выводом - к началу первичной обмотки трансформатора тока, конец которой подключен к точке соединения дросселя и анода первого диода, начало вторичной обмотки трансформатора тока соединено с входным выводом, конец - с анодом второго диода, катод которого соединен с катодом первого диода, третий диод, анодом подключенный к общему выводу, катодом соединенный с концом вторичной обмотки трансформатора тока и анодом второго диода, отличающийся тем, что в него дополнительно введены трансформатор, содержащий первую и вторую обмотки, второй, третий и четвертый управляемые ключи, второй и третий источники управляющих сигналов, четвертый, пятый и шестой диоды, причем точка соединения конца первой обмотки и начала второй обмотки трансформатора соединена с катодами первого и второго диодов, начало первой обмотки трансформатора соединено через второй управляемый ключ с общим выводом, а через четвертый диод, включенный согласно первому диоду, - с выходным выводом, конец второй обмотки соединен через третий управляемый ключ с общим выводом, а через пятый диод, включенный согласно первому диоду, - с выходным выводом, управляющие выводы второго и третьего управляющих ключей соединены со вторым источником управляющих сигналов, четвертый управляемый ключ одним выводом подключен к выходному выводу, управляющим выводом - к третьему источнику управляющих сигналов, шестой диод анодом соединен с общим выводом, катодом - со свободным выводом четвертого управляемого ключа и точкой соединения дросселя, анода первого диода и конца первичной обмотки трансформатора тока.