Корректор коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного напряжения 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, регулирования и стабилизации постоянного выходного напряжения.

Известны преобразователи переменного напряжения в постоянное напряжение с подключением нагрузки через выпрямительные диоды и сглаживающий емкостной фильтр [1].

Недостатком известных преобразователей переменного напряжения в постоянное напряжение является отсутствие формирования тока, потребляемого от входного синусоидального напряжения, пропорционального этому напряжению, а также стабилизации постоянного выходного напряжения.

Наиболее близок по технической сущности к предлагаемому устройству преобразователь переменного синусоидального напряжения в постоянное выходное напряжение, содержащий первичную обмотку трансформатора, подключенную через встречно последовательные управляемые ключи к зажимам источника переменного синусоидального напряжения, вторичную обмотку трансформатора, подключенную через выпрямительные диоды к емкостному фильтру и нагрузке [1].

Недостатки этого преобразователя напряжения состоят в том, что в нем отсутствует коррекция коэффициента мощности и стабилизация постоянного выходного напряжения.

Цель изобретения - формирование тока пропорционального и синфазного переменному входному напряжению, формирование постоянного выходного напряжения и его стабилизация, уменьшение динамических потерь при включении ключей.

Поставленная цель достигается тем, что в корректоре коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного напряжения к первичной обмотке трансформатора включённой последовательно с источником переменного напряжения и встречно последовательными управляемыми ключами, параллельно которой включен клампирующий элемент, составленный из встречно последовательных управляемых ключей и конденсатора, введены две вторичные обмотки, которые через выпрямительные диоды подключены к Г-образному LC-фильтру, последовательно с которым включен понижающий регулятор напряжения с непрерывным потреблением и передачей энергии в нагрузку, управление которым осуществляется цепью обратной связи реализованной в виде широтно-импульсного контроллера.

На фиг. 1 и 2 показаны принципиальные электрические схемы вариантов выполнения предлагаемого корректора коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного напряжения. На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема корректора коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного напряжения; на фиг. 2 представлена принципиальная электрическая схема коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного напряжения с введением дополнительной линейной индуктивности последовательно с первичной обмоткой трансформатора.

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. Параллельно первичной обмотке 1 включен встречно последовательный управляемый ключ 4 с последовательно включенным конденсатором 5. Две вторичные обмотки 6 и 7 трансформатора 2 объединены в общую точку соединения началом обмотки 6 и концом обмотки 7, конец обмотки 6 подключен к катоду диода 8, а начало обмотки 7 подключено к катоду диода 9, аноды которых объединены в общую точку соединения. Общая точка соединения обмоток 6,7 подключена к первому полюсу Г-образного LC-фильтра 10, а общая точка соединения анодов 8,9 подключена к второму полюсу Г-образного LC-фильтра. Параллельно выходным зажимам Г-образного LC-фильтра 10, включен понижающий регулятор 11, выходные зажимы которого через управляющий контролер 12 широтно-импульсного типа управляет регулирующим транзистором понижающего регулятора 11. Управляющие электроды встречно последовательного ключа 3 объединены в общую точку соединения и подключены к контроллеру 13, второй вывод которого подключен к общей точке соединения встречно последовательных ключей транзисторов ключа 3. Управляющие электроды встречно последовательных транзисторов клампирующего элемента 4 объединены в общую точку соединения и подключены к контроллеру 14, второй вывод которого подключен к общей точке соединения встречно последовательных транзисторов клампирующего ключа 4. Параллельно дополнительной обмотке 15 трансформатора 2 включена линейная индуктивность 16.

На фиг. 2 последовательно первичной обмотке 1 трансформатора 2 включена линейная индуктивность 17.

Принцип действия предлагаемого корректора коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного 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.

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 8 и вторичную обмотку 6.

После выключения ключа 3 на интервале времени (1-D)T включается встречно последовательный управляемый ключ клампирующего элемента 4 с последовательно включенным конденсатором 5, что приводит к переполюсовке напряжений на обмотках трансформатора 2, выключению диода 8 и включению диода 9, и передачи энергии в нагрузку через обмотку 7 и диод 9. Напряжение на конденсаторе 5 изменяется по закону VD/(1-D), а энергия во вторичную цепь поступает из индуктивности намагничивания трансформатора 2.

При изменении полярности источника входного напряжения все описанные выше процессы повторяются с той лишь разницей, что теперь на интервале времени DT энергия во вторичную цепь передается через обмотку 7 и прямосмещенный диод 9, а на интервале (1-D)T через обмотку 6 и диод 8.

Введение небольшой линейной индуктивности 17 последовательно с первичной обмоткой 1 (фиг. 2), позволяет обеспечить переключение ключей 3,4 при нулевом напряжении на них и тем самым уменьшить динамические потери на них при включении.

Ведение дополнительной обмотки 15 трансформатора 2 с параллельно включенной линейной индуктивностью 16 позволяет ослабить жесткую связь величины индуктивности намагничивания трансформатора 2 с числом витков первичной обмотки 1, геометрическим размером магнитопровода и зазором трансформатора, что расширяет диапазон изменений входного напряжения.

Величины временных интервалов DT и (1-D)T устанавливаются фиксированными, и в процессе работы корректора коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного напряжения не изменяются, тем самым фиксируя максимальную передаваемую мощность в нагрузку.

Поддержание постоянного выходного напряжения в нагрузке осуществляется с помощью понижающего регулятора 11 [2], отличительной особенностью которого является непрерывное потребление и передача энергии в нагрузку, и этим свойством он является аналогом резистивной нагрузки. Обратная связь, реализованная в виде широтно-импульсного контроллера, воздействует на регулирующий транзистора регулятора 11, обеспечивая поддержание постоянного выходного напряжения с заданной точностью.

Таким образом, предлагаемый корректор коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного напряжения позволяет по сравнению с известным устройством осуществить формирование тока пропорционального и синфазного переменному входному напряжению, формирование постоянного выходного напряжения и его стабилизацию, уменьшение динамических потерь при включении ключей.

1. Патент на изобретение РФ № 2802914 с приоритетом от 02.02.2023

2. Авторское свидетельство СССР №1598073 “Импульсный регулятор постоянного напряжения” А.Г. Поликарпов, Е.Ф. Сергиенко с приоритетом от 05.12.1988.

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, регулирования и стабилизации постоянного выходного напряжения. Цель изобретения - формирование тока пропорционального и синфазного переменному входному напряжению, формирование постоянного выходного напряжения и его стабилизация, уменьшение динамических потерь при включении ключей. 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 13. Силовой трансформатор 2, первичная обмотка 1 которого через регулирующий ключ 3 подключена к источнику переменного напряжения. Параллельно первичной обмотке трансформатора 2 включен клампирующий элемент 4, составленный из последовательного включения конденсатора 5 и встречно последовательного включения полевых транзисторов (MOSFET), управляющие электроды которых объединены в общую точку, подключенную к цепи управления 14. Две вторичные обмотки 6 и 7 трансформатора 2 объединены в общую точку началом обмотки 6 и концом обмотки 7, конец обмотки 6 подключен к катоду диода 8, а начало обмотки 7 подключено к катоду диода 9, аноды которых объединены в общую точку соединения. Общая точка соединения обмоток 6,7 подключена к первому полюсу Г-образного LC-фильтра 10, а общая точка соединения анодов 8,9 подключена к второму полюсу Г-образного LC-фильтра. Параллельно выходным зажимам Г-образного LC-фильтра 10, включен понижающий регулятор 11, к выходным зажимам которого подключен управляющий контроллер 12 широтно-импульсного типа, который управляет регулирующим транзистором понижающего регулятора 11. Параллельно дополнительной обмотке 15 трансформатора 2 включена линейная индуктивность 16. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Корректор коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного напряжения, содержащий электромагнитный элемент, имеющий первичную обмотку, подключенную через встречно последовательный ключ на полевых транзисторах типа MOSFET к выходным 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 две вторичные обмотки с противофазным включением объединенные в первую общую точку соединения, противоположные выводы которых соединены с последовательно включенными диодами, аноды которых объединены во вторую общую точку соединения, общие точки подключены ко входу Г-образного LC-фильтра, а параллельно первичной обмотке трансформатора включен клампирующий элемент, составленный из последовательно соединенных конденсатора и встречно последовательного ключа на полевых транзисторах типа MOSFET.

2. Корректор коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного напряжения по п.1, отличающийся тем, что параллельно выходу Г-образного LC-фильтра включен понижающий регулятор с непрерывным потреблением и передачей энергии в нагрузку.

3. Корректор коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного напряжения по п.1, отличающийся тем, что понижающий регулятор с непрерывным потреблением и передачей энергии в нагрузку охвачен обратной связью контроллером с широтно-импульсным регулированием.

4. Корректор коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного напряжения по п.1, отличающийся тем, что встречно последовательные ключи управляются контроллером постоянной длительности.

5. Корректор коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного напряжения по п.1, отличающийся тем, что последовательно с первичной обмоткой трансформатора, включена линейная индуктивность.

6. Корректор коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного напряжения по п.1, отличающийся тем, что параллельно дополнительной обмотке трансформатора включена линейная индуктивность.