Преобразователь переменного напряжения в постоянное напряжение Российский патент 2023 года по МПК H02M7/25 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразователям переменного напряжения в постоянное напряжение, и может быть использовано в системах вторичного электропитания для коррекции коэффициента мощности, преобразования и регулирования постоянного выходного напряжения.

Известны регуляторы переменного напряжения в постоянное напряжение с непосредственным подключением нагрузки через выпрямительные диоды и сглаживающий емкостной фильтр [патент США US 6,282,109 B1 с датой публикации сведений о выдаче патента 28.08.2001].

Недостатком известных регуляторов переменного напряжения в постоянное является отсутствие гальванической развязки между источником входного синусоидального напряжения и постоянного выходного напряжения, а также раздельное управление ключами, включенных в цепь переменного напряжения, что усложняет цепь управления.

Наиболее близок по технической сущности к предлагаемому устройству регулятор переменного синусоидального напряжения в постоянное выходное напряжение, содержащий обмотку дросселя, подключенную через встречно последовательные управляемые ключи к зажимам источника переменного синусоидального напряжения, выпрямительные диоды, подключенные анодами к выходным зажимам встречно последовательных управляемых ключей, катоды которых подключены к емкостному фильтру и нагрузке [фиг.1 патент США US 6,282,109 B1 с датой публикации сведений о выдаче патента 28.08.2001].

Недостатки этого регулятора состоят в том, что в нем отсутствует гальваническая развязка входной и выходной цепи регулятора, а также раздельное управление ключами, что усложняет устройство управления ключами.

Цель изобретения – формирование постоянного выходного напряжения из переменного входного напряжения, осуществление гальванической развязки между входными и выходными цепями, объединение цепи управления встречно последовательных управляемых ключей, улучшение показателей корректора коэффициента мощности, упрощение цепи управления.

Поставленная цель достигается тем, что в регуляторе переменного напряжения в постоянное напряжение к первичной обмотке дросселя, включённой последовательно с источниками переменного напряжения и встречно последовательными управляемыми ключами, введена вторичная обмотка, которая через выпрямительные диоды подключена к емкостному фильтру и нагрузке, а управляющие электроды встречно последовательных ключей объединены и общим электродом подключены к устройству управления.

На фиг.1 и 2 показаны принципиальные электрические схемы вариантов выполнения предлагаемого преобразователя переменного напряжения в постоянное напряжение. На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема преобразователя переменного напряжения в постоянное напряжение; на фиг.2 представлена принципиальная электрическая схема преобразователя переменного напряжения в постоянное напряжение с введением дополнительной линейной индуктивности.

В нем (фиг.1) начало первичной обмотки 1 трансформатора 2 соединено с первым полюсом входного источника переменного напряжения, а конец первичной обмотки 1 через управляемый встречно последовательный ключ 3 подключен ко второму полюсу входного источника переменного 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. Управляющие электроды встречно последовательного ключа 3 объединены в общую точку и подключены к широтно-импульсному контроллеру 10, второй вывод которого подключен к общей точке соединения встречно последовательных ключей 3.

На фиг.2 параллельно вторичной обмотке 4 трансформатора 2 включена линейная индуктивность 11.

Принцип действия предлагаемого преобразователя переменного напряжения в постоянное напряжение 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.

Допустим, что в момент рассмотрения работы преобразователя переменного напряжения в постоянное напряжение от источника переменного напряжения поступает положительная полуволна синусоидального напряжения. В этом случае на этапе замкнутого состояния DT ключа 3 полевой транзистор (MOSFET) ключа 3 работает в нормальном ключевом режиме (в рассматриваемом случае верхний), а второй (нижний) в режиме синхронного выпрямителя. На этом промежутке времени происходит передача энергии в нагрузку через прямосмещенный выпрямительный диод 5 и вторичную обмотку 4.

Величина тока через выпрямительный диод 5 определяется балансом зарядов конденсатора 6 на интервалах времени DT и (1-D)T, т.е. на интервалах времени включенного и выключенного состояния ключа 3. На баланс зарядов можно воздействовать введением дополнительной линейной индуктивности 11, включенной параллельно вторичной обмотке 4 трансформатора 2 (Фиг.2). Данное воздействие отражается на форме тока, протекающего через ключ 3 и, как следствие, воздействует на коэффициент мощности.

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 выводится в конденсатор 7 через выпрямительный диод 8 и вторичную обмотку 4 трансформатора 2.

При изменении полярности источника входного напряжения все описанные выше процессы повторяются с той лишь разницей, что нижний полевой транзистор (MOSFET) ключа 3 работает в нормальном ключевом режиме, а верхний в режиме синхронного выпрямителя. При изменившейся полярности источника входного напряжения прямая передача энергии в выходную цепь конденсатор 7 идет через выпрямительный диод 8 и вторичную обмотку 4 трансформатора 2 в течение интервала времени DT, а выведение энергии из трансформатора в течение интервала времени (1-D)T идет через диод 5 обмотку 4 в конденсатор 6.

Сумма напряжений на конденсаторах 6 и 7 является выходным напряжением на нагрузке 9.

Таким образом, предлагаемый преобразователь переменного напряжения в постоянное напряжение позволяет по сравнению с известным устройством осуществить электрическую развязку выходного постоянного напряжения от переменного входного напряжения, а также упростить управление встречно последовательным регулирующим ключом 3 путем объединения управляющих электродов в общую точку.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразователям переменного напряжения в постоянное напряжение, и может быть использовано в системах вторичного электропитания для коррекции коэффициента мощности, преобразования и регулирования постоянного выходного напряжения. Технический результат изобретения – формирование постоянного выходного напряжения из переменного входного напряжения, осуществление гальванической развязки между входными и выходными цепями, объединение цепи управления встречно последовательных управляемых ключей, улучшение показателей корректора коэффициента мощности, упрощение цепи управления. Устройство содержит регулирующий ключ (3), реализованный в виде встречно последовательного включения полевых транзисторов (MOSFET), управляющие электроды которых объединены в общую точку, подключенную к цепи управления (10). Силовой трансформатор (2), первичная обмотка (1) которого через регулирующий ключ (3) подключена к источнику переменного 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 преобразователе переменного напряжения в постоянное напряжение начало первичной обмотки (1) трансформатора (2) соединено с первым полюсом входного источника переменного напряжения, а конец первичной обмотки (1) через управляемый встречно последовательный ключ (3) подключен ко второму полюсу входного источника переменного 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). 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Преобразователь переменного напряжения в постоянное напряжение, содержащий электромагнитный элемент, имеющий первичную обмотку, подключенную через встречно последовательно включенные первый и второй полевые транзисторы к входным выводам источника переменного напряжения, первый и второй выпрямительные диоды, соединенные с выходными зажимами конденсаторов фильтра, и управляющий контроллер, отличающийся тем, что электромагнитный элемент выполнен в виде трансформатора, содержащего вторичную обмотку, которая через последовательно включенный первый диод подключена к зажимам первого конденсатора фильтра, через второй последовательно включенный диод, осуществляющий выведение реактивной энергии трансформатора, подключена к зажимам второго конденсатора фильтра, включенного последовательно с первым конденсатором фильтра, параллельно цепи из последовательно включенных первого и второго конденсаторов фильтра включена нагрузка, управляющие электроды первого и второго полевых транзисторов объединены в общую точку, к которой подключен один из выводов управляющего контроллера, другой вывод которого подключен к точке соединения истоков первого и второго встречно последовательно соединенных полевых транзисторов.

2. Преобразователь переменного напряжения в постоянное напряжение по п.1, отличающийся тем, что параллельно одной из обмоток трансформатора включена линейная индуктивность.