Регулируемый повышающий преобразователь постоянного напряжения Российский патент 2023 года по МПК H02M3/18 

Предлагаемое изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано при создании малогабаритных и энегоэффективных многоуровневых повышающих регуляторов постоянного напряжения.

Известен регулируемый повышающий преобразователь постоянного напряжения [Электротехника, №10, 2007, с.34-40, рис.1- блок А1.1], содержащий входной, выходной и общий выводы для подключения соответственно источника постоянного напряжения и нагрузки, n соединенных параллельно цепочек, включенных между входным и общим выводами, состоящих каждая из последовательно соединенных зарядного диода, конденсатора и зарядного ключа, (n-1) разрядных ключей, каждый из которых включен между разноименными выводами конденсаторов соответствующих смежных цепочек, разрядный ключ, включенный между входным выводом и точкой соединения конденсатора и зарядного ключа последней цепочки.

Дискретная регулировка выходного напряжения в данном преобразователе осуществляется изменением числа последовательно соединенных конденсаторов, разряжающихся на нагрузку, путем управления коммутацией разрядных ключей его силовой цепи.

К недостаткам данного регулируемого повышающего преобразователя следует отнести отсутствие плавной регулировки выходного напряжения, а также низкий КПД и плохие массогабаритные показатели из-за увеличения динамических потерь мощности и низкой частоты переключения полупроводниковых элементов силовой цепи ввиду их жесткой коммутации.

Кроме того, известен регулируемый повышающий преобразователь постоянного напряжения [Патент RU 2734101C12020 МПК H02M3/18], являющийся прототипом предлагаемого изобретения, содержащий входной, выходной и общий выводы для подключения соответственно источника постоянного напряжения и выходного конденсатора, n цепочек, состоящих каждая из последовательно соединенных зарядного диода, конденсатора, реактора и зарядного ключа, причем аноды зарядных диодов второй и последующих цепочек подключены к входному, а вторые выводы зарядных ключей всех цепочек к общему выводу преобразователя, (n-1) разрядных ключей, каждый из которых включен между точкой соединения реактора и зарядного ключа предыдущей цепочки и точкой соединения зарядного диода и конденсатора последующей цепочки, разрядный ключ, включенный между входным выводом и точкой соединения реактора и зарядного ключа последней цепочки, разрядный диод, включенный между точкой соединения зарядного диода с конденсатором первой цепочки и выходным выводом преобразователя.

Увеличение КПД преобразователя - прототипа достигается благодаря тому, что плавная регулировка его выходного напряжения происходит в дискретно изменяющемся диапазоне от до при переключении числа цепочек в пределах управлением их коммутацией. При этом КПД и массогабаритные показатели прототипа значительно улучшены не только благодаря мягкой коммутации его полупроводниковых элементов в моменты времени, когда их токи равны нулю, но и за счет снижения динамических потерь мощности при неизменно малом напряжении на регулирующем элементе двухуровневого широтно-импульсного преобразователя равном напряжению дискретного диапазона. Отметитм, что ввиду малой выходной мощности двухуровневого широтно-импульсного регулятора (в N раз меньше мощности нагрузки) его введение практически не оказывает влияния на ухудшение массогабаритных преобразователя.

Улучшение массогабаритных показателей прототипа достигается также и сопутствующим мягкой коммутации увеличением частоты переключения полупроводниковых элементов.

Главный недостаток прототипа - завышенные массогабаритные показатели из-за сложности его силовой цепи ввиду наличия в ней дополнительного выходного конденсатора и дополнительного разрядного диода.

Задачей предлагаемого изобретения является улучшение массогабаритных показателей повышающего преобразователя постоянного напряжения при сохранении плавной регулировки его выходного напряжения и высокого КПД.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в регулируемый повышающий преобразователь постоянного напряжения, содержащий входной, выходной и общий выводы для подключения соответственно источника постоянного напряжения и выходного конденсатора, n цепочек, состоящих каждая из последовательно соединенных зарядного диода, конденсатора, реактора и зарядного ключа, причем аноды зарядных диодов второй и последующих цепочек подключены к входному, а вторые выводы зарядных ключей всех цепочек к общему выводу преобразователя, (n-1) разрядных ключей, каждый из которых включен между точкой соединения реактора и зарядного ключа предыдущей цепочки и точкой соединения зарядного диода и конденсатора последующей цепочки, разрядный ключ, включенный между входным выводом и точкой соединения реактора и зарядного ключа последней цепочки, разрядный диод, включенный между точкой соединения зарядного диода с конденсатором первой цепочки и выходным выводом, введен двухуровневый широтно-импульсный регулятор постоянного напряжения, включенный между входным выводом преобразователя и анодом зарядного диода первой цепочки.

На чертеже приведена принципиальная схема силовой цепи предлагаемого регулируемого повышающего преобразователя постоянного напряжения.

Предлагаемое устройство содержит n цепочек, состоящих каждая из последовательно соединенных зарядного диода 1, конденсатора 2, реактора 3 и зарядного ключа 4. причем аноды зарядных диодов 1 второй и последующих цепочек подключены к входному 5, а вторые выводы зарядных ключей всех цепочек к общему выводу 6 преобразователя. Точки соединения реактора 3 и зарядного ключа 4 предыдущей цепочки через разрядные ключи (7-9) соединены с положительным выводом конденсатора 2 последующей цепочки. Разрядный ключ 10 соединяет входной вывод 5 с точкой соединения реактора 3 и зарядного ключа 4 последней цепочки. Разрядный диод 11 включен между точкой соединения зарядного диода 1 с конденсатором 2 первой цепочки и выходным выводом 12. К выходному выводу 12 и общему выводу 6 подключен выходной конденсатор 13 и нагрузка 14. Двухуровневый широтно-импульсный регулятор постоянного напряжения 15, включен между входным выводом преобразователя 5 и анодом зарядного диода 1 первой цепочки.

Предлагаемый регулируемый повышающий преобразователь постоянного напряжения работает следующим образом.

В исходном состоянии при периодическом высокочастотном открывании зарядных ключей 4 во второй и последующих цепочках током кусочно-синусоидальной формы происходит заряд их конденсаторов 2 через реакторы 3 от входного источника постоянного напряжения через соответствующие зарядные диоды 1. При этом заряд конденсатора 2 первой цепочки происходит таким же током кусочно-синусоидальной формы, но только от плавно регулируемого в диапазоне двухуровневого широтно-импульсного регулятора постоянного напряжения 15.

В результате напряжение на конденсаторе первой цепочки плавно регулируется в пределах от 0 до , а на конденсаторах второй и последующих цепочек оно практически всегда равно .

После закрывания зарядных ключей 4 открываются разрядные ключи (7-10) и таким же, как и при заряде, током кусочно-синусоидальной формы происходит периодический последовательный разряд всех конденсаторов 2 через реакторы 3 разрядный диод 11 на нагрузку (13,14). Поскольку разряд соединенных последовательно конденсаторов первой и последующих цепочек происходит через последовательно соединенный с ними источник , то величина плавно регулируемого выходного напряжения преобразователя, прикладываемого к его нагрузке, оказывается равной .

Отсюда следует, что дискретное переключение числа цепочек от нуля до (осуществляется поочередным попарным переводом разрядных (7-10) и зарядных 4 ключей из отсечки в режим периодической коммутации) в сочетании с регулировкой выходного напряжения двухуровневого широтно-импульсного регулятора 15 от нуля до обеспечивает плавное и энергоэффективное регулирование выходного напряжения предлагаемого повышающего преобразователя в диапазоне от нуля до .

Следует отметить, что напряжение от плавно регулируемого двухуровневого широтно-импульсного регулятора постоянного напряжения 15 может изменяться также и в диапазоне от до . В этом случае плавная и энергоэффективная регулировка выходного напряжения будет происходить в пределах от до .

При этом, массогабаритные показатели предлагаемого повышающего преобразователя оказываются улучшенными за счет исключения из его силовой цепи громоздкого дополнительного выходного конденсатора и дополнительного диода.

Последовательные колебательные контуры, образованные в цепочках конденсаторами 2 и реакторами 3, обеспечивают снижение динамических потерь мощности в полупроводниковых элементах силовой цепи преобразователя благодаря мягкой коммутации в моменты времени, когда токи, протекающие через них, равны нулю. В результате КПД предлагаемого преобразователя оказывается высоким.

Таким образом, благодаря упрощению силовой цепи, предлагаемый регулируемый повышающий преобразователь постоянного напряжения обладает улучшенными массогабаритными показателями при сохранении высокого значения его КПД.

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано при создании малогабаритных и энергоэффективных многоуровневых повышающих регуляторов постоянного напряжения. Регулируемый повышающий преобразователь постоянного напряжения содержит входной, выходной и общий выводы для подключения соответственно источника постоянного напряжения и выходного конденсатора, n цепочек, состоящих каждая из последовательно соединенных зарядного диода, конденсатора, реактора и зарядного ключа, причем аноды зарядных диодов второй и последующих цепочек подключены к входному, а вторые выводы зарядных ключей всех цепочек к общему выводу преобразователя. Преобразователь содержит также (n-1) разрядных ключей, каждый из которых включен между точкой соединения реактора и зарядного ключа предыдущей цепочки и точкой соединения зарядного диода и конденсатора последующей цепочки, разрядный ключ, включенный между входным выводом и точкой соединения реактора и зарядного ключа последней цепочки, разрядный диод, включенный между точкой соединения зарядного диода с конденсатором первой цепочки и выходным выводом. В предлагаемый преобразователь введен двухуровневый широтно-импульсный регулятор постоянного напряжения, включенный между входным выводом преобразователя и анодом зарядного диода первой цепочки. Технический результат - улучшение массогабаритных показателей преобразователя за счет упрощения его силовой цепи. 1 ил.

Регулируемый повышающий преобразователь постоянного напряжения, содержащий входной, выходной и общий выводы для подключения соответственно источника постоянного напряжения и выходного конденсатора, n цепочек, состоящих каждая из последовательно соединенных зарядного диода, конденсатора, реактора и зарядного ключа, причем аноды зарядных диодов второй и последующих цепочек подключены к входному, а вторые выводы зарядных ключей всех цепочек к общему выводу преобразователя, (n-1) разрядных ключей, каждый из которых включен между точкой соединения реактора и зарядного ключа предыдущей цепочки и точкой соединения зарядного диода и конденсатора последующей цепочки, разрядный ключ, включенный между входным выводом и точкой соединения реактора и зарядного ключа последней цепочки, разрядный диод, включенный между точкой соединения зарядного диода с конденсатором первой цепочки и выходным выводом, отличающийся тем, что в него введен двухуровневый широтно-импульсный регулятор постоянного напряжения, включенный между входным выводом преобразователя и анодом зарядного диода первой цепочки.