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

Изобретение относится к электротехнике, в частности к 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, подключенную 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, подключенные через выпрямительные диоды ко входу Г-образного LC-фильтра, к выходу которого подключена нагрузка.

Цель изобретения - формирование постоянного выходного напряжения из постоянного входного напряжения, обеспечение возможности включения силового ключа на нулевое значение тока, формирование прямоугольной формы тока через силовой регулирующий ключ, уменьшение динамических потерь.

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 вторичные обмотки трансформатора функционально разделены таким образом, что одна из них функционирует на интервале времени включенного состояния силового регулирующего ключа и через первый выпрямительный диод подключена к выходному конденсатору С-фильтра, а другая, функционирует на интервале времени выключенного состояния силового регулирующего ключа и включенного дополнительного ключа клампирующего элемента, и через второй выпрямительный диод подключена ко входу Г-образного LC-фильтра, выходной конденсатор которого включен последовательно с конденсатором С-фильтра, параллельно которым включена нагрузка, а вход Г-образного LC-фильтра через шунтирующий диод соединен с общей точкой соединения конденсаторов фильтров и точкой соединения вторичных обмоток трансформатора.

На фиг. 1 и 2 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 при равенстве числа витков вторичных обмоток.

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. Конец обмотки 6 подключен к одному из выводов конденсатора 9, являющегося выходным конденсатором Г-образного LC-фильтра, второй вывод которого через индуктивность 10 Г-образного LC-фильтра и выпрямительный диод 11, анод которого подключен к индуктивности 10, а катод к началу вторичной обмотки 12, конец которой соединен с концом вторичной обмотки 6. К общей точке соединения индуктивности 10 и выпрямительного диода 11 подключен анод шунтирующего диода 13, катод которого подключен к общей точке соединения вторичных обмоток 6, 12 и конденсаторов 8, 9, параллельно которым включена нагрузка 14. Управляющие электроды ключей 3, 5 подключены к широтно-импульсному контроллеру 15.

На фиг. 2, при равенстве числа витков вторичных обмоток, катод второго выпрямительного диода 11 подключен к началу вторичной обмотки 6, что эквивалентно запараллеливанию двух вторичных обмоток 6 и 12.

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 Т 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.

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 выпрямительный диод 7 и шунтирующий диод 13 запираются, а выпрямительный диод 11 переходит в проводящее состояние. В результате этого процесса на конденсаторе 9 устанавливается напряжение n₂V_IND, где n₂ - отношение витков обмотки 12 к обмотке 1. Выходное напряжение на нагрузке 14 V_IN (n₁+n₂D) определяется суммой напряжений на конденсаторах 8 и 9, 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 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, приводящая к выключению выпрямительного диода 11, включению шунтирующего диода 13 и включению выпрямительного диода 7. Однако включение выпрямительного диода 7 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 7, равным 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.

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.

Источники информации

1. А.с. №892614 (СССР), МКИ Н02М 3/335, "Однотактный регулятор постоянного напряжения" А.Г. Поликарпов, Е.Ф. Сергиенко.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразователям постоянного напряжения с активным клампированием. Техническим результатом заявленного изобретения является формирование постоянного выходного напряжения из постоянного входного напряжения, обеспечение возможности включения силового ключа на нулевое значение тока, формирование прямоугольной формы тока через силовой регулирующий ключ, уменьшение динамических потерь. 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). Конец обмотки (6) подключен к одному из выводов конденсатора (9), являющегося выходным конденсатором Г-образного LC-фильтра, второй вывод которого через индуктивность (10) Г-образного LC-фильтра и выпрямительный диод (11), анод которого подключен к индуктивности (10), а катод к началу вторичной обмотки (12), конец которой соединен с концом вторичной обмотки 6. К общей точке соединения индуктивности 10 и выпрямительного диода 11 подключен анод шунтирующего диода (13), катод которого подключен к общей точке соединения вторичных обмоток (6, 12) и конденсаторов (8, 9), параллельно которым включена нагрузка (14). Управляющие электроды ключей (3, 5) подключены к широтно-импульсному контроллеру (15). 1 з.п. ф-лы, 2 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 первый выпрямительный диод подключена к зажимам выходного конденсатора С-фильтра, вторая вторичная обмотка трансформатора, концом соединенная с первой, через последовательно включенный второй выпрямительный диод подключена к зажимам Г-образного LC-фильтра, выходной конденсатор которого соединен последовательно с выходным конденсатором С-фильтра, параллельно которым включена нагрузка, а первый вывод дросселя Г-образного LC-фильтра через шунтирующий диод соединен с общей точкой соединения конденсаторов фильтров и точкой соединения вторичных обмоток трансформатора.

2. Преобразователь постоянного напряжения с активным клампированием по п. 1, отличающийся тем, что при равенстве числа витков вторичных обмоток катод второго выпрямительного диода подключен к началу первой вторичной обмотки.