Однотактный прямо-обратноходовой преобразователь Российский патент 2022 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к области электротехники, включая импульсную силовую преобразовательную технику, и предназначено для использования в качестве вторичного источника электропитания с регулируемым выходным напряжением и повышенным коэффициентом полезного действия для питания нагрузок постоянного тока при наличии первичных автономных или общесетевых источников постоянного либо переменного тока, при этом в последнем случае преобразователь будет использоваться в качестве подсистемы преобразования постоянного напряжения в постоянное.

Известны однотактные прямо-обратноходовые преобразователи постоянного напряжения в постоянное (патент US 2014184093 (A1) от 28.12.2012г., патент US 2014035485 (А1) от 03.08.2012г., патент TW 201119201 (А) от 26.11.2009г.), содержащие полупроводниковые ключи, трансформаторы, выполненные с возможностью накопления энергии в индуктивности первичной обмотки и передачи ее на вторичную сторону в нагрузку. При этом, потребляя энергию из сети на этапе импульса при замкнутом состоянии полупроводникового ключа, энергию в нагрузку преобразователь передает как на этапе импульса, так и на этапе паузы при разомкнутом состоянии полупроводникового ключа. Общими недостатками известных схем являются, во-первых, необходимость принятия мер с целью защиты полупроводникового ключа от всплесков напряжения в момент его запирания, вызванных наличием индуктивностей рассеяния обмоток трансформатора, что приводит, в конечном счете, к снижению КПД; во-вторых, необходимость принятия мер с целью исключения одностороннего подмагничивания трансформатора.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является принятый за прототип однотактный прямо-обратноходовой преобразователь постоянного напряжения с двумя трансформаторами (Y. Kang, B. Choi, W. Lim. Analysis and design of a forward-flyback converter employing two transformers. Conference Paper in PESC Record - IEEE Annual Power Electronics Specialists Conference · February 2001, pp. 357-362. DOI: 10.1109/PESC.2001.954046 · Source: IEEE Xplore).

Технические задачи, на решение которых направлено заявляемое изобретение, заключаются в повышении как энергетических, так и эксплуатационных показателей.

Указанные задачи решаются за счет того, что однотактный прямо-обратноходовой преобразователь, содержащий источник постоянного напряжения, полупроводниковый ключ, отрицательный электрод которого соединен с отрицательной клеммой источника, первый и второй трансформаторы, первые первичные обмотки которых соединены последовательно, два вывода вторичных обмоток обоих трансформаторов объединены и подключены к отрицательной обкладке фильтрового выходного конденсатора, подключенного параллельно нагрузке, а к двум другим выводам каждой вторичной обмотки обоих трансформаторов подключены аноды двух выпрямительных диодов, катоды которых объединены, дополнительно содержит промежуточный конденсатор и шунтирующий диод, а первый и второй трансформаторы имеют вторые первичные обмотки, соединенные последовательно, первые первичные обмотки соединены встречно так, что объединены концы их обмоток, причем начало первой первичной обмотки первого трансформатора соединено с положительной клеммой источника питания, а начало первой первичной обмотки второго трансформатора соединено с положительным электродом полупроводникового ключа, у вторичных обмоток первого и второго трансформаторов объединены концы обмоток, а катоды выпрямительных диодов подключены к положительной обкладке выходного фильтрового конденсатора, вторые первичные обмотки соединены встречно так, что объединены концы их обмоток, при этом начало второй первичной обмотки первого трансформатора подключено к отрицательной клемме источника постоянного напряжения, а начало второй первичной обмотки второго трансформатора соединено с анодом шунтирующего диода, катод которого соединен с положительной клеммой источника постоянного напряжения, одна обкладка промежуточного конденсатора подключена к аноду шунтирующего диода, а другая – к положительному электроду полупроводникового ключа, открытое и закрытое состояния которого задаются независимым устройством управления. При этом в качестве полупроводникового ключа может быть использован, например, транзистор любого типа, отрицательная клемма источника постоянного напряжения и отрицательная обкладка фильтрового выходного конденсатора могут быть заземлены, а магнитопроводы первого и второго трансформаторов могут быть выполнены с немагнитными сосредоточенными либо распределенными зазорами.

Техническим результатом использования данного изобретения является   возможность повышения КПД за счет полезного использования энергии, накопленной в индуктивностях рассеяния трансформаторов, и одновременно при этом исключения перенапряжений на полупроводниковых ключах, а также возможность улучшения эксплуатационных характеристик, в частности снижения пульсаций напряжения на нагрузке, а также исключения необходимости принятия специальных мер для перемагничивания сердечников трансформаторов.

Технический результат обеспечивается тем, что в предлагаемом изобретении параллельно соединенным последовательно первым первичным обмоткам первого и второго трансформаторов подключена цепочка из последовательно соединенных промежуточного конденсатора и шунтирующего диода. При размыкании полупроводникового ключа в цепи, состоящей из последовательно соединенных первых первичных обмоток трансформаторов, промежуточного конденсатора и шунтирующего диода протекает ток, который поддерживается в том числе энергией, запасенной в индуктивностях рассеяния первых первичных обмоток первого и второго трансформаторов. При этом конденсатор накапливает эту энергию, и напряжение на нем возрастает. С целью повышения КПД преобразователя за счет полезного использования запасенной в конденсаторе энергии, в схему дополнительно введены соединенные последовательно вторые первичные обмотки первого и второго трансформаторов. Посредством этих обмоток энергия, накопленная в конденсаторе, частично передается на вторичную сторону в нагрузку, а частично рекуперируется в первичный источник постоянного напряжения. Кроме того, шунтирующий диод обеспечивает на этапе паузы (при разомкнутом состоянии полупроводникового ключа) возвращение сердечников трансформаторов в исходное магнитное состояние без перенапряжений на ключе. Снижению пульсаций напряжения на нагрузке будут способствовать, во-первых, двойная частота импульсов энергии, подзаряжающих фильтровой выходной конденсатор, по сравнению с частотой управления полупроводникового ключа и, во-вторых, повышенная интенсивность этих импульсов, поступающих на вторичную сторону в нагрузку как на этапе замкнутого, так и на этапе разомкнутого состояния полупроводникового ключа от первых и вторых первичных обмоток первого и второго трансформаторов.

На фиг. 1 представлена электрическая схема заявляемого однотактного прямо–обратноходового преобразователя постоянного напряжения в постоянное. Схема на фиг.1 содержит источник постоянного напряжения 1, полупроводниковый ключ 2, отрицательный электрод которого соединен с отрицательной клеммой источника 1, первый 3 и второй 4 трансформаторы, первые первичные обмотки 5 и 6 которых соединены последовательно, два вывода вторичных 7 и 8 обмоток обоих трансформаторов объединены и подключены к отрицательной обкладке фильтрового выходного конденсатора 11, подключенного параллельно нагрузке 17, а к двум другим выводам каждой вторичной обмотки 7 и 8 обоих трансформаторов 3 и 4 подключены аноды двух выпрямительных диодов 9 и 10, катоды которых объединены. Схема также содержит промежуточный конденсатор 14 и шунтирующий диод 15, а первый 3 и второй 4 трансформаторы имеют вторые первичные обмотки 12 и 13, соединенные последовательно, первые первичные обмотки 5 и 6 соединены встречно так, что объединены концы их обмоток, причем начало первой первичной обмотки 5 первого трансформатора 3 соединено с положительной клеммой источника питания 1, а начало первой первичной обмотки 6 второго трансформатора 4 соединено с положительным электродом полупроводникового ключа 2, у вторичных обмоток 7 и 8 первого 3 и второго 4 трансформаторов объединены концы обмоток, а катоды выпрямительных диодов 9 и 10 подключены к положительной обкладке выходного фильтрового конденсатора 11, вторые первичные обмотки 12 и 13 соединены встречно так, что объединены концы их обмоток, при этом начало второй первичной обмотки 12 первого трансформатора 3 подключено к отрицательной клемме источника постоянного напряжения 1, а начало второй первичной обмотки 13 второго трансформатора 4 соединено с анодом шунтирующего диода 15, катод которого соединен с положительной клеммой источника постоянного напряжения 1, одна обкладка промежуточного конденсатора 14 подключена к аноду шунтирующего диода 15, а другая – к положительному электроду полупроводникового ключа 2, открытое и закрытое состояния которого задаются независимым устройством управления 16. В качестве полупроводникового ключа 2, как правило, используются транзисторы.

Схема однотактного прямо-обратноходового преобразователя постоянного напряжения в постоянное работает следующим образом. Промежуточный конденсатор 14 до начала работы схемы изначально заряжен до напряжения источника питания 1 в полярности, указанной на рисунке, по цепи, включающей источник питания 1, первые первичные обмотки 5 и 6, конденсатор 14, вторые первичные обмотки 12 и 13. Работу схемы будем рассматривать в установившемся режиме на каждом из двух этапов периода работы ключа: на этапе импульса (полупроводниковый ключ 2 замкнут) и на этапе паузы (полупроводниковый ключ 2 разомкнут).

На этапе импульса устройство управления 16 открывает транзистор, выполняющий функцию полупроводникового ключа 2. При этом течет ток по контуру: «плюс» источника питания 1, обмотки 5 и 6, замкнутый ключ 2, «минус» источника питания 1. Полярность напряжения на обмотке 5 трансформатора 3 такова («плюс» на начале обмотки), что открывается диод 9 и первый трансформатор 3 передает энергию на вторичную сторону в нагрузку 17 с параллельно включенным выходным фильтровым конденсатором 11. Этот процесс характеризует работу прямоходового преобразователя [1, 2]. Обмотка 6 второго трансформатора 4 имеет полярность («минус» на начале обмотки), при которой диод 10 заперт, и идет накопление энергии в индуктивности обмотки 6. Этот процесс характеризует работу обратноходового преобразователя. Одновременно на этом же этапе работы происходит бросок разрядного тока конденсатора 14 в контуре: «плюс» конденсатора 14, замкнутый ключ 2, обмотки 12 и 13, «минус» конденсатора 14. Этот процесс возможен, так как напряжение на конденсаторе 14 к моменту замыкания ключа 2 превышало напряжение источника питания 1 на некоторую величину ΔU, до которой он подзарядился на этапе паузы предыдущего цикла работы. При этом полярность на второй первичной обмотке 12 первого трансформатора 3 такова («плюс» на начале обмотки), что энергия посредством диода 9 передается на вторичную сторону в нагрузку. Полярность на обмотке 13 второго трансформатора 4 имеет полярность («минус» на начале обмотки), при которой диод 10 заперт, и идет накопление энергии в индуктивности обмотки 13. Таким образом, процессы, связанные с работой первых и вторых первичных обмоток первого и второго трансформаторов, идентичны.

На этапе паузы устройство управления 16 закрывает транзистор, выполняющий функцию полупроводникового ключа 2. При этом по обмоткам 5 и 6 продолжает протекать ток, поддерживаемый энергией, накопленной в индуктивности обмотки 6, а также в индуктивностях рассеяния обмоток 5 и 6. Этот ток замыкается в контуре: обмотки 5 и 6, конденсатор 14, диод 15. При этом часть энергии идет на подзарядку конденсатора 14 на величину ΔU. Полярность напряжения на обмотке 6 такова («плюс» на начале обмотки), что открывается диод 10, и часть энергии, запасенной в индуктивности обмотки 6, передается на вторичную сторону в нагрузку посредством диода 10. В это же время восстанавливается исходное магнитное состояние сердечников трансформаторов. Одновременно на этом же этапе работы по обмоткам 12 и 13 продолжает протекать ток, поддерживаемый энергией, накопленной в индуктивности обмотки 13, а также в индуктивностях рассеяния обмоток 12 и 13. Этот ток замыкается в контуре: обмотки 12 и 13, конденсатор 14, обмотки 6 и 5, источник питания 1. При этом полярность напряжения на обмотке 13 такова («плюс» на начале обмотки), что часть энергии посредством диода 10 передается на вторичную сторону в нагрузку, а часть рекуперируется в источник питания 1.

При необходимости заземления источника питания и нагрузки такое заземление может быть выполнено, при необходимости наличия гальванической развязки схема может работать без заземления.

Так как первый и второй трансформаторы попеременно работают либо в режиме трансформатора, либо дросселя, с целью обеспечения требуемых расчетных значений индуктивностей обмоток магнитопроводы трансформаторов могут быть выполнены с немагнитными сосредоточенными либо распределенными зазорами.

Величина выходного напряжения преобразователя определяется коэффициентом трансформации и отношением длительности импульса к периоду работы полупроводникового ключа и может быть ниже либо выше напряжения источника питания.

Были проведены экспериментальные исследования лабораторного макета устройства и компьютерное моделирование в программе PSpice, которые подтвердили работоспособность и целесообразность широкого промышленного использования данного устройства. При этом был изготовлен и успешно испытан опытный макетный образец предлагаемого устройства, выполненный в виде законченного узла.

По мнению авторов, предлагаемый однотактный прямо-обратноходовой преобразователь постоянного напряжения в постоянное может быть использован в качестве надежного источника вторичного электропитания с регулируемым или стабилизированным выходным напряжением, с низким уровнем пульсаций и повышенным коэффициентом полезного действия для питания нагрузок постоянного тока при наличии первичных автономных или общесетевых источников постоянного либо переменного тока как в устройствах наземного оборудования, так и на подвижных объектах, включая авиационно-космическую технику, а совокупность его существенных признаков необходима и достаточна для достижения заявляемого технического результата.

Источники информации

1. Р. Севернс, Г. Блум. Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания: Перевод с англ. под ред. Л. Е. Смольникова. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 294 с.

2. С.В. Аверин, Д.А. Шевцов. Повышение эффективности однотактных преобразователей постоянного напряжения. В сб. Вопросы инновационного развития аэрокосмического комплекса России. Материалы первой общероссийской научно-практической конференции. – М.: Изд-во «Доброе слово», 2018. – 248 с.

3. Han Sang Kyoo, Ryu Byoung Woo. Single Stage Forward-Flyback Converter and Power Supply Apparatus for Light Emitting Diode. Патент US 2014184093 (A1) от 28.12.2012г.

4. Han Sang Kyoo, Hwang Min Ha. Single Stage Forward-Flyback Converter and Power Supply Apparatus. Патент    US 2014035485 (А1) от 03.08.2012г.

5. Lin Ray-Lee, Huang Yu-Ha. Forward-flyback converter with lossless snubber circuit. Патент   TW 201119201 (А) от 26.11.2009г.

6. Y. Kang, B. Choi, W. Lim Analysis and design of a forward-flyback converter employing two transformers. Conference Paper in PESC Record - IEEE Annual Power Electronics Specialists Conference · February 2001, pp. 357-362. DOI: 10.1109/PESC.2001.954046 · Source: IEEE Xplore. (Прототип).

Изобретение относится к области электротехники, включая импульсную силовую преобразовательную технику, и предназначено для использования в качестве вторичного источника электропитания с регулируемым выходным напряжением и повышенным коэффициентом полезного действия для питания нагрузок постоянного тока при наличии первичных автономных или общесетевых источников постоянного либо переменного тока. Техническим результатом использования данного изобретения является возможность повышения КПД за счет полезного использования энергии, накопленной в индуктивностях рассеяния трансформаторов, и одновременно при этом исключения перенапряжений на полупроводниковых ключах, а также возможность улучшения эксплуатационных характеристик, в частности снижения пульсаций напряжения на нагрузке, а также исключения необходимости принятия мер для перемагничивания трансформаторов. Технический результат обеспечивается тем, что в предлагаемом изобретении параллельно соединенным последовательно первым первичным обмоткам первого и второго трансформаторов подключена цепочка из последовательно соединенных промежуточного конденсатора и шунтирующего диода. При размыкании полупроводникового ключа в цепи, состоящей из последовательно соединенных первых первичных обмоток трансформаторов, промежуточного конденсатора и шунтирующего диода протекает ток, который поддерживается в том числе энергией, запасенной в индуктивностях рассеяния первых первичных обмоток первого и второго трансформаторов. При этом конденсатор накапливает эту энергию, и напряжение на нем возрастает. С целью повышения КПД преобразователя за счет полезного использования запасенной в конденсаторе энергии, в схему дополнительно введены соединенные последовательно вторые первичные обмотки первого и второго трансформаторов. Посредством этих обмоток энергия, накопленная в конденсаторе, частично передается на вторичную сторону в нагрузку, а частично рекуперируется в первичный источник постоянного напряжения. Кроме того, шунтирующий диод обеспечивает на этапе паузы (при разомкнутом состоянии полупроводникового ключа) возвращение сердечников трансформаторов в исходное магнитное состояние без перенапряжений на ключе. Снижению пульсаций напряжения на нагрузке будут способствовать, во-первых, двойная частота импульсов энергии, подзаряжающих фильтровой выходной конденсатор, по сравнению с частотой управления полупроводникового ключа и, во-вторых, повышенная интенсивность этих импульсов, поступающих на вторичную сторону в нагрузку как на этапе замкнутого, так и на этапе разомкнутого состояния полупроводникового ключа от первых и вторых первичных обмоток первого и второго трансформаторов. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Однотактный прямо-обратноходовой преобразователь, содержащий источник постоянного напряжения, полупроводниковый ключ, отрицательный электрод которого соединен с отрицательной клеммой источника, первый и второй трансформаторы, первые первичные обмотки которых соединены последовательно, два вывода вторичных обмоток обоих трансформаторов объединены и подключены к отрицательной обкладке фильтрового выходного конденсатора, подключенного параллельно нагрузке, а к двум другим выводам каждой вторичной обмотки обоих трансформаторов подключены аноды двух выпрямительных диодов, катоды которых объединены, отличающийся тем, что дополнительно содержит промежуточный конденсатор и шунтирующий диод, а первый и второй трансформаторы имеют вторые первичные обмотки, соединенные последовательно, первые первичные обмотки соединены встречно так, что объединены концы их обмоток, причем начало первой первичной обмотки первого трансформатора соединено с положительной клеммой источника питания, а начало первой первичной обмотки второго трансформатора соединено с положительным электродом полупроводникового ключа, у вторичных обмоток первого и второго трансформаторов объединены концы обмоток, а катоды выпрямительных диодов подключены к положительной обкладке выходного фильтрового конденсатора, вторые первичные обмотки соединены встречно так, что объединены концы их обмоток, при этом начало второй первичной обмотки первого трансформатора подключено к отрицательной клемме источника постоянного напряжения, а начало второй первичной обмотки второго трансформатора соединено с анодом шунтирующего диода, катод которого соединен с положительной клеммой источника постоянного напряжения, одна обкладка промежуточного конденсатора подключена к аноду шунтирующего диода, а другая – к положительному электроду полупроводникового ключа, открытое и закрытое состояния которого задаются независимым устройством управления.

2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что в качестве полупроводникового ключа может быть использован, например, транзистор любого типа.

3. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что отрицательная клемма источника постоянного напряжения и отрицательная обкладка фильтрового выходного конденсатора могут быть заземлены.

4. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что магнитопроводы первого и второго трансформаторов могут быть выполнены с немагнитными зазорами.