Однотактный преобразователь постоянного напряжения Российский патент 2023 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к однотактным преобразователям постоянного напряжения, и может быть использовано в системах вторичного электропитания для преобразования, стабилизации и регулирования постоянного выходного напряжения, гальванически отделенного от входного постоянного напряжения.

Известны преобразователи постоянного напряжения с гальваническим разделением выходного постоянного напряжения от входного постоянного напряжения [1].

Недостатком известных преобразователей постоянного входного напряжения в постоянное выходное напряжение является ограниченный диапазон регулирования выходного напряжения, повышенные требования к зазорам в магнитопроводе трансформатора, трапецеидальная форма тока через регулирующий ключ, большие динамические потери в регулирующем ключе при его включении и выключении.

Наиболее близок по технической сущности к предлагаемому устройству преобразователь постоянного напряжения с передачей энергии в выходную цепь на обратном ходе (Flyback), содержащий первичную обмотку трансформатора, подключенную через управляемый ключ к зажимам входного источника постоянного напряжения, вторичную обмотку трансформатора, подключенную через выпрямительный диод к емкостному фильтру, параллельно которому включена нагрузка [1].

Недостатки данного преобразователя состоят в том, что в нем энергия в нагрузку передается только на интервале времени выключенного состояния регулирующего ключа, что ограничивает регулирующие возможности преобразователя напряжения, требует значительных размеров зазора в магнитопроводе и связанные с этим потери в трансформаторе, значительные динамические потери мощности в регулирующем ключе на интервалах времени его включения и выключения, связанные с трапецеидальной формой тока, протекающего через регулирующий ключ.

Цель изобретения – устранение указанных недостатков.

Поставленная цель достигается тем, что в однотактном преобразователе постоянного напряжения, первичная обмотка трансформатора через регулирующий ключ подключена к зажимам входного источника постоянного напряжения, вторичная обмотка трансформатора через выпрямительный диод подключена к первому конденсатору фильтра, а через другой выпрямительный диод ко второму конденсатору фильтра, включенному последовательно с первым конденсатором фильтра, параллельно которым включена нагрузка.

На фиг.1 и 2 показаны принципиальные электрические схемы вариантов выполнения предлагаемого однотактного преобразователя постоянного напряжения. На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема однотактного преобразователя постоянного напряжения; на фиг.2 представлена принципиальная электрическая схема однотактного преобразователя постоянного напряжения с дополнительно введенной обмоткой.

В нем (фиг.1) начало первичной обмотки 1 трансформатора 2 соединено с положительным полюсом входного источника постоянного напряжения, а конец первичной обмотки 1 через управляемый широтно-импульсным контроллером 10 ключ 3 подключен к отрицательному полюсу входного источника постоянного напряжения. С началом вторичной обмотки 4 трансформатора 2, соединен анод выпрямительного диода 5, катод которого подключен к одному из выводов конденсатора 6. Второй вывод конденсатора 6 подключен к концу обмотки 4. Конец обмотки 4 подключен к одному из выводов конденсатора 7, второй вывод которого подключен к аноду выпрямительного диода 8, катод которого подключен к началу обмотки 4. Параллельно последовательно включенным конденсаторам 6 и 7 включена нагрузка 9.

На фиг.2 конец дополнительно введенной обмотки 11 трансформатора 2 подключен к одному из выводов конденсатора 7, второй вывод которого подключен к аноду выпрямительного диода 8, катод которого подключен к началу обмотки 11.

Принцип действия предлагаемого однотактного преобразователя постоянного напряжения рассмотрим исходя из предположения идеальности ключевых элементов, установившегося режима работы и непрерывности изменения магнитного потока в сердечнике трансформатора 2.

Обозначим через D относительную к периоду T длительность включенного состояния ключа 3. В этом случае на этапе замкнутого состояния DT ключа 3 выполненного на полевом транзисторе (MOSFET) происходит передача энергии в нагрузку через прямосмещенный выпрямительный диод 5 и обмотку 4. При этом вследствие баланса зарядов на интервалах времени DT и (1-D)T конденсатора 6 через выпрямительный диод 5 течет ток I_L/D, где I_L – ток нагрузки, а напряжение на конденсаторе 7 определяется выражением nV_IN, где n - отношение витков обмотки 4 к обмотке 1.

После выключения ключа 3 на интервале времени (1-D)T напряжение на обмотках трансформатора 2 изменяет знак. Вследствие этого выпрямительный диод 5 закрывается, а диод 8 открывается и накопленная энергия в трансформаторе 2 на интервале времени DT, включенного состояния ключа 3, выводится в конденсатор 7 через выпрямительный диод 8 и вторичную обмотку 4 трансформатора 2. При этом вследствие баланса зарядов конденсатора 7 через выпрямительный диод 8 течет ток I_L/(1-D), а напряжение на конденсаторе 7 определяется выражением nV_IND/(1-D). Выходное напряжение на нагрузке nV_IN/(1-D) определяется суммой напряжений на конденсаторах 6 и 7, включенных последовательно.

При передаче энергии в выходную цепь на интервале времени DT, включенного состояния ключа 3, протекают два процесса: один из которых связан с одновременным намагничиванием трансформатора 2 по первичной обмотке 1 от источника входного напряжения V_IN и по вторичной обмотке 4 от напряжения nV_IN на конденсаторе 6. В результате этих намагничиваний токи пропорционально линейно нарастают. Во вторичной обмотке 4 нарастание этого тока приводит к уменьшению тока через выпрямительный диод 5, находящийся в проводящем состоянии на этом интервале времени. Линейное уменьшение тока через выпрямительный диод 5 трансформируется в первичную обмотку 1 и компенсирует линейное нарастание тока по первичной обмотке 1, что приводит к прямоугольной форме тока через регулирующий ключ 3.

Второй процесс связан с моментом включения регулирующего ключа 3. При включении регулирующего ключа 3, происходит переполюсовка напряжений на обмотках трансформатора, приводящая к выключению выпрямительного диода 8 и включению выпрямительного диода 5. Однако включение выпрямительного диода 5 происходит с временной задержкой по отношению к моменту включения регулирующего ключа 3. Эта задержка обусловлена конечным временем изменения напряжения на обмотках трансформатора 2 и положительным потенциалом на катоде выпрямительного диода 5 равного nV_IN.

Временная задержка передачи энергии в выходную цепь при включении регулирующего ключа 3 приводит к разнесению фронтов тока и напряжения на регулирующем ключе 3 и снижению динамических потерь при его включении.

Как уже отмечалось выше ток через регулирующий ключ 3 носит прямоугольный характер, что снижает потери на регулирующем ключе 3 при его выключении, поскольку ключ выключается на меньший ток.

Как следует из принципа работы данного однотактного преобразователя постоянного напряжения намагничивание и размагничивание трансформатора 2 идет по выходной обмотке 4 трансформатора 2. С целью оптимизации трансформатора 2 и уменьшения зазора в нем возможно намагничивание и размагничивание осуществить от разных обмоток путем введения дополнительной обмотки 11, как показано на чертеже фиг.2.

Таким образом, предлагаемый однотактный преобразователь постоянного напряжения, по сравнению с известным устройством позволяет передавать энергию в нагрузку в течение всего периода T работы преобразователя, расширяя регулировочные и мощностные возможности, а в силу специфики передачи энергии в выходную цепь в виде импульса напряжения и импульса тока сформировать временную задержку передачи энергии в выходную цепь при включении регулирующего ключа 3 и тем самым разнести нарастание тока через регулирующий ключ и спад напряжения, что существенно снижает потери мощности на ключе при его включении, а прямоугольная форма тока, протекающего через ключ 3 снижает потери на нем при его выключении.

1. [Поликарпов А.Г., Сергиенко Е.Ф. Однотактные преобразователи в устройствах электропитания РЭА, “Радио и связь”, 1989, стр.47 рис.2.1].

Изобретение относится к электротехнике, в частности к однотактным преобразователям постоянного напряжения, и может быть использовано в системах вторичного электропитания для преобразования, регулирования и стабилизации постоянного выходного напряжения. Технический результат изобретения – формирование постоянного выходного напряжения из постоянного входного напряжения и уменьшение динамических потерь. Устройство содержит регулирующий ключ (3), реализованный в виде полевого транзистора (MOSFET), управляющий электрод которого подключен к широтно-импульсному контроллеру (10). Силовой трансформатор (2), первичная обмотка (1) которого через регулирующий ключ (3) подключена к источнику постоянного входного напряжения, а вторичная обмотка (4) через выпрямительные диоды (5,8) подключена к последовательно включенным конденсаторам фильтра (6,7) параллельно которым включена нагрузка (9). В предлагаемом однотактном преобразователе постоянного напряжения начало первичной обмотки (1) трансформатора (2) соединено с положительным полюсом входного источника постоянного напряжения, а конец первичной обмотки (1) через ключ (3), управляемый широтно-импульсным контролером (10), подключен к его отрицательному полюсу. С началом вторичной обмотки (4) трансформатора (2) соединен анод выпрямительного диода (5), катод которого подключен к одному из выводов конденсатора (6). Второй вывод конденсатора (6) подключен к концу обмотки (4). Конец обмотки (4) подключен к одному из выводов конденсатора (7), второй вывод которого подключен к аноду выпрямительного диода (8), катод которого подключен к началу обмотки (4). Параллельно последовательно включенным конденсаторам (6) и (7) включена нагрузка (9). 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Однотактный преобразователь постоянного напряжения, содержащий трансформатор, имеющий первичную обмотку, подключенную через управляемый ключ к входным выводам источника постоянного напряжения, вторичную обмотку, соединенную через выпрямительные диоды с выходными зажимами конденсаторов фильтра, отличающийся тем, что вторичная обмотка трансформатора через последовательно включенный диод подключена к зажимам первого конденсатора, а через второй последовательно включенный диод, осуществляющий выведение реактивной энергии трансформатора, подключена к зажимам второго конденсатора, включенного последовательно с первым, параллельно которым включена нагрузка.

2. Однотактный преобразователь постоянного напряжения по п.1, отличающийся тем, что оптимизация трансформатора достигается подключением к дополнительно введенной вторичной обмотке трансформатора диода, осуществляющего выведение реактивной энергии трансформатора.