Преобразователь постоянного напряжения с активным клампированием Российский патент 2023 года по МПК H02M3/335 

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

Известны преобразователи постоянного напряжения с активным клампированием [1].

Недостатком известного преобразователя постоянного напряжение с активным клампированием является отсутствие возможности включения силового ключа на нулевое значение тока, что приводит к увеличению динамических потерь в силовом ключе при его включении, а также трапецеидальная форма тока через силовой ключ, что приводит к дополнительным потерям в силовом ключе в проводящем состоянии и динамических потерь при его выключении.

Наиболее близок по технической сущности к предлагаемому устройству преобразователь постоянного напряжения с активным клампированием приведенный в [1], содержащий первичную обмотку трансформатора, подключённую через силовой регулирующий ключ к зажимам входного источника постоянного напряжения, параллельно которой подключен клампирующий элемент, составленный из последовательно соединенных конденсатора и дополнительного ключа, трансформатор осуществляющий электрическую развязку и получение требуемого уровня постоянного выходного напряжения, вторичные обмотки, подключённые через выпрямительные диоды ко входу Г-образного LC-фильтра, к выходу которого подключена нагрузка.

Цель изобретения - устранение указанных недостатков.

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователе постоянного напряжения с активным клампированием, первичная обмотка трансформатора которого через силовой регулирующий ключ подключена к зажимам входного источника постоянного напряжения, параллельно которой включен клампирующий элемент, а две вторичные обмотки трансформатора функционируют одновременно на интервале времени включенного состояния силового регулирующего ключа, при этом первая из них через выпрямительный диод подключена к первому конденсатору фильтра, а вторая, через выпрямительный диод подключена ко входу Г-образного LC-фильтра, выходной конденсатор которого включен последовательно с первым конденсатором фильтра, параллельно которым включена нагрузка, а вход Г-образного LC-фильтра через шунтирующий выпрямительный диод соединен с общей точкой соединения конденсаторов фильтра, параллельно которым включена нагрузка.

На фиг.1, 2 и 3 показаны принципиальные электрические схемы вариантов выполнения предлагаемого преобразователя постоянного напряжения с активным клампированием. На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема преобразователя постоянного напряжения с активным клампированием; на фиг.2 представлена принципиальная электрическая схема преобразователя постоянного напряжения с активным клампированием с введением небольшой линейной индуктивности; на фиг.3 представлена принципиальная электрическая схема преобразователя постоянного напряжения с активным клампированием с введением дополнительной третей вторичной обмотки.

В нем (фиг.1) начало первичной обмотки 1 трансформатора 2 соединено с положительным полюсом входного источника постоянного напряжения, а конец первичной обмотки 1 через силовой регулирующий ключ 3, реализованный в виде полевого транзистора MOSFET, подключен к отрицательному полюсу входного источника постоянного напряжения. Параллельно первичной обмотке 1 трансформатора 2 включен клампирующий элемент, составленный из последовательно соединенных конденсатора 4 и дополнительного ключа 5, реализованного в виде полевого транзистора MOSFET. С началом вторичной обмотки 6 трансформатора 2 соединен анод выпрямительного диода 7, катод которого подключен к одному из выводов конденсатора 8, второй вывод которого подключен к концу обмотки 6. Начало обмотки 6 соединено с концом обмотки 9, начало которой подключено к аноду диода 10, катод которого соединен с индуктивностью 11 Г-образного LC-фильтра, второй вывод которого соединен с конденсатором 12, являющимся выходным конденсатором LC-фильтра, включенный последовательно с конденсатором 8, параллельно которым включена нагрузка 13. К общей точке соединения индуктивности 11 и выпрямительного диода 10 подключен катод шунтирующего диода 14, анод которого подключен к общей точке соединения конденсаторов 8, 12. Управляющие электроды ключей 3,5 подключены к широтно-импульсному контроллеру 15.

Принцип действия предлагаемого преобразователя постоянного напряжения с активным клампированием 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 происходит передача энергии в нагрузку через прямосмещенный выпрямительный диод 7 и вторичную обмотку 6. При этом вследствие баланса зарядов на интервалах времени DT и (1-D)T конденсатора 8 через выпрямительный диод 7 течет ток I_L/D, где I_L - ток нагрузки, а напряжение на конденсаторе 8 определяется выражением n₁V_IN, где n₁ - отношение витков обмотки 6 к обмотке 1.

Однако одновременно с передачей энергии в нагрузку по вторичной обмотке 6 и диоду 7 идет передача энергии в нагрузку на этом отрезке времени и по вторичной обмотке 9 и прямосмещенному диоду 10 на вход Г-образного LC-фильтра, выходной конденсатор 12 которого соединен последовательно с конденсатором 8. В результате этой передачи энергии в нагрузку на конденсаторе 12 формируется напряжение равное n₂V_IND, где n₂ - отношение витков обмотки 9 к обмотке 1.

Вследствие одновременности передачи энергии в нагрузку по обеим вторичным обмоткам 6, 9 трансформатора 2 через диод 7 течет разностный ток (I_L/D - I_L), составляющий величину тока I_L(1-D)/D, что значительно меньше I_L/D и, как следствие, меньше потери в диоде 7 и пульсации напряжения в конденсаторе 8. Выходное напряжение (n₁V_IN +n₂V_IND) равно сумме напряжений на конденсаторах 8, 12.

После выключения ключа 3 включается дополнительный ключ 5 клампирующего элемента и напряжение на обмотке 1 трансформатора 2 фиксируется на уровне напряжения на конденсаторе 4 равного V_IND/(1-D). Вследствие переполюсовки напряжений на всех обмотках трансформатора 2 и фиксации напряжения на первичной обмотке 1 трансформатора 2, выпрямительные диоды 7, 10 запираются, а шунтирующий диод 14 включается и переключает ток индуктивности 11 на себя. Одновременно с этим процессом ток намагничивания трансформатора 2 переключается на включившийся дополнительный ключ 5 и конденсатор 4, составляющие клампирующий элемент.

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 6 от напряжения n₁V_IN на конденсаторе 8. В результате этих намагничиваний токи пропорционально линейно нарастают. Во вторичной обмотке 6 нарастание этого тока приводит к уменьшению тока через выпрямительный диод 7, находящийся в проводящем состоянии на этом интервале времени. Линейное уменьшение тока через выпрямительный диод 7 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 силового регулирующего ключа 3. При включении силового регулирующего ключа 3 и выключении дополнительного ключа 5 клампирующего элемента происходит переполюсовка напряжений на обмотках трансформатора 2 и включение выпрямительного диода 7. Однако включение выпрямительного диода 7 происходит с временной задержкой по отношению к моменту включения силового регулирующего ключа 3. Эта задержка обусловлена конечным временем изменения напряжения на обмотках трансформатора 2 и положительным потенциалом на катоде выпрямительного диода 7 равного n₁V_IN.

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

Введение небольшой линейной индуктивности 16 (фиг.2), составляющей наногенри, последовательно со вторичной обмоткой 6 усиливает эффект формирования нулевого значения тока через силовой регулирующий ключ 3 при его включении.

Введение дополнительной третей вторичной обмотки 17 (фиг.3), включенной началом к общей точке соединения конденсаторов 8, 12, а концом к аноду шунтирующего диода 14, катод которого подключен к общей точке соединения диода 10 и индуктивности 11, позволяет расширить диапазон регулирования до величины (n₁V_IN + (n₂₊n₃)V_IND), где n₃ - отношение витков обмотки 17 к обмотке 1.

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

Таким образом, предлагаемый преобразователь постоянного напряжения с активным клампированием, по сравнению с известным устройством позволяет формировать постоянное выходное напряжение из постоянного входного напряжения с уменьшением динамических потерь, обеспечивая возможность включения силового ключа на нулевое значение тока и, как следствие, уменьшение динамических потерь в силовом ключе при его включении и вследствие прямоугольности тока в проводящем состоянии при выключении.

1. А.с. №892614 (СССР) МКИ H02M3/335 “Однотактный регулятор постоянного напряжения” А.Г. Поликарпов, Е.Ф. Сергиенко.

Преобразователь постоянного напряжения с активным клампированием относится к электротехнике и может быть использован в системах вторичного электропитания. Техническим результатом заявленного изобретения является формирование постоянного выходного напряжения из постоянного входного напряжения с уменьшением динамических потерь, обеспечивая возможность включения силового ключа на нулевое значение тока и, как следствие, уменьшение динамических потерь в силовом ключе при его включении и вследствие прямоугольности тока в проводящем состоянии при выключении. Устройство содержит трансформатор (2), начало первичной обмотки (1) которого соединено с положительным полюсом входного источника постоянного напряжения, а конец первичной обмотки (1) через силовой регулирующий ключ (3), реализованный в виде полевого транзистора MOSFET, подключен к отрицательному полюсу входного источника постоянного напряжения. Параллельно первичной обмотке (1) трансформатора (2) включен клампирующий элемент, составленный из последовательно соединенных конденсатора (4) и дополнительного ключа (5), реализованного в виде полевого транзистора MOSFET. С началом вторичной обмотки (6) трансформатора (2) соединен анод выпрямительного диода (7), катод которого подключен к одному из выводов конденсатора (8), второй вывод которого подключен к концу обмотки (6). Начало обмотки (6) соединено с концом обмотки (9), начало которой подключено к аноду диода (10), катод которого соединен с индуктивностью (11) Г-образного LC-фильтра, второй вывод которого соединен с конденсатором (12), являющимся выходным конденсатором LC-фильтра, включенным последовательно с конденсатором (8), параллельно которым включена нагрузка (13). К общей точке соединения индуктивности (11) и выпрямительного диода (10) подключен катод шунтирующего диода (14), анод которого подключен к общей точке соединения конденсаторов (8, 12). Управляющие электроды ключей (3, 5) подключены к широтно-импульсному контроллеру (15). 2 з.п. ф-лы. 3 ил.

1. Преобразователь постоянного напряжения с активным клампированием, содержащий трансформатор, имеющий первичную обмотку, подключенную через силовой регулирующий ключ к выводам источника постоянного входного напряжения, параллельно которой включен клампирующий элемент, составленный из последовательно соединенных конденсатора и дополнительного ключа, вторичные обмотки с выпрямительными диодами, подключенные к Г-образному LC-фильтру, отличающийся тем, что первая вторичная обмотка трансформатора через последовательно включенный диод подключена к первому конденсатору фильтра, вторая вторичная обмотка трансформатора, соединенная концом с началом первой, через последовательно включенный диод подключена ко входу Г-образного LC-фильтра, выходной конденсатор которого соединен последовательно с первым конденсатором фильтра, а вход Г-образного LC-фильтра через шунтирующий диод соединен с общей точкой соединения конденсаторов фильтра, параллельно которым включена нагрузка.

2. Преобразователь постоянного напряжения с активным клампированием по п.1, отличающийся тем, что последовательно с первой вторичной обмоткой трансформатора подключена линейная индуктивность.

3. Преобразователь постоянного напряжения с активным клампированием по п.1, отличающийся тем, что в него вводят третью вторичную обмотку трансформатора, подключенную концом к аноду шунтирующего диода, а началом к общей точке соединения конденсаторов, параллельно которым включена нагрузка.