Низковольтный полумостовой преобразователь постоянного напряжения 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 статических и динамических потерь мощности.

Известны полумостовые преобразователи постоянного напряжения [1].

Недостатком известного полумостового преобразователя постоянного напряжения являются сложности получения низкого выходного напряжения, составляющего единицы вольт, возможности включения силового ключа на нулевое значение тока, что приводит к увеличению динамических потерь при его включении и уменьшение статических потерь при низком уровне выходного напряжения из-за напряжений на выпрямительных диодах в проводящем состоянии, соизмеримых с уровнем выходного напряжения.

Наиболее близок по технической сущности к предлагаемому устройству полумостовой преобразователь постоянного напряжения, подключенный к источнику постоянного входного напряжения, приведенный в [1], содержащий первичную обмотку трансформатора, подключённую в диагональ полумоста, 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 низковольтном полумостовом преобразователе постоянного напряжения, первичная обмотка трансформатора которого включена в диагональ полумоста, а две вторичные обмотки с разным с разным числом витков с последовательно включенными диодами включены синфазно и параллельно, и подключены к входным зажимам Г-образного LC-фильтра, к выходным зажимам которого подключена нагрузка.

На фиг. 1, 2 и 3 показаны принципиальные электрические схемы вариантов выполнения предлагаемого низковольтного полумостового преобразователя постоянного напряжения. На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема низковольтного полумостового преобразователя постоянного напряжения; на фиг.2 представлена принципиальная электрическая схема низковольтного полумостового преобразователя постоянного напряжения с введением небольшой линейной индуктивности в цепь первичной обмотки трансформатора; на фиг. 3 представлена принципиальная электрическая схема низковольтного полумостового преобразователя постоянного напряжения c использованием синхронных выпрямителей вместо выпрямительных диодов.

В нем (фиг. 1) первичная обмотка 7 трансформатора 8 включена в диагональ полумоста 1, началом к общей точке соединения ключей 2 и 3 полумоста, а концом к общей точке соединения конденсаторов 5 и 6 полумоста. Начало первой вторичной обмотки 9 трансформатора 8 соединено с началом второй вторичной обмотки 10. Конец первой вторичной обмотки 9 подключен к катоду диода 11, а конец второй вторичной обмотки 10 подключен к катоду диода 12, аноды диодов 11 и 12 объединены в общую точку соединения. Общие точки начал вторичных обмоток 9 и 10 трансформатора 8 и общие точки соединения анодов диодов 11 и 12 подключены ко входу Г-образного LC-фильтра 13, параллельно выходным зажимам которого подключена нагрузка 14. Управляющие электроды ключей 2 и 3 подключены к широтно-импульсному контроллеру 4.

Принцип действия предлагаемого низковольтного полумостового преобразователя постоянного напряжения рассмотрим исходя из предположения идеальности ключевых элементов, установившегося режима работы и непрерывности изменения магнитного потока в сердечнике трансформатора 8.

Обозначим через D относительную к периоду T длительность включенного состояния ключа 2. В этом случае на этапе замкнутого состояния DT ключа 2 происходит передача энергии в нагрузку через вторичную обмотку, имеющую большее число витков, допустим, что это вторичная обмотка 9. В этом случае передача энергии в нагрузку идет через прямосмещенный диод 11 вторичную обмотку 9 и Г-образный LC-фильтр, в то время как диод 9 заперт и находится под обратным напряжением, равным разности напряжений на вторичных обмотках 9 и 10, т.е. (n₁-n₂)V_IN(1-D), где n₁ - есть отношение витков обмоток 9 и 7, а n₂ - есть отношение витков обмоток 10 и 7. При выключении силового регулирующего ключа 2 происходит включение силового регулирующего ключа 3 полумоста и на всех обмотках трансформатора происходит переполюсовка напряжений, а на первичной обмотке 7 трансформатора 8 устанавливается напряжение V_IND равное среднему напряжению на конденсаторе 6. Это напряжение трансформируется во вторичные обмотки 9 и 10 трансформатора 8 в виде напряжения с отрицательным знаком, что приводит к переключению тока дросселя Г-образного LC-фильтра на диод, находящийся под меньшим отрицательным напряжением, в нашем случае диод 12, поскольку число витков вторичной обмотки 10 меньше числа витков вторичной обмотки 9. На этом интервале времени (1-D)T, проводящего состояния силового регулирующего ключа 3, обратное напряжение на запертом диоде 11 равно (n₁-n₂)V_IND. Таким образом, на входе Г-образного LC-фильтра действует разнополярное напряжение равное n₁V_IN(1-D) на интервале времени DT, включенного состояния силового регулирующего ключа 2, и отрицательное напряжение -n₂V_IND на интервале времени (1-D)T, включенного состояния силового регулирующего ключа 3.

Вследствие этого на нагрузке устанавливается выходное напряжение (n₁-n₂)V_IND(1-D). Таким образом низкое выходное напряжение определяется в основном разностью коэффициентов трансформаций при любых значениях n₁ и n₂, что позволяет обеспечить хороший коэффициент связи между первичной и вторичными обмотками трансформатора 8 при значительном различии величин входного (десятки вольт) и выходного (единиц вольт) напряжений. Временная задержка передачи энергии в выходную цепь при включении силового регулирующего ключа 2 приводит к разнесению фронтов тока и напряжения на силовых регулирующих ключах 2 и 3, и снижению динамических потерь при их включении. Это достигается введением небольшой линейной индуктивности 15 последовательно с первичной обмоткой 7 фиг. 2.

При низком выходном напряжении, которое реализуется в предлагаемом устройстве, прямые падения напряжений на диодах, находящихся в проводящемся состоянии, оказываются существенными, что влияет на коэффициент полезного действия. Для снижения этого влияния целесообразно вместо выпрямительных диодов использовать синхронные выпрямители 16 и 17 реализованные на полевых транзисторах MOSFET со своей схемой управления 18 фиг. 3.

Таким образом, предлагаемый низковольтный полумостовой преобразователь постоянного напряжения, по сравнению с известным устройством позволяет формировать низковольтное постоянное выходное напряжение из высокого постоянного входного напряжения с уменьшением статических и динамических потерь мощности.

1. Robert W. Erickson Fundamentals of Power Electronics Фиг. 6.21, стр. 158.

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 статических и динамических потерь. Технический результат - формирование низковольтного постоянного выходного напряжения из высоковольтного постоянного входного напряжения и уменьшение динамических и статических потерь мощности. В устройстве полумост 1, состоящий из двух последовательно включенных ключей 2 и 3, реализованных в виде полевых транзисторов MOSFET, управляющие электроды которых подключены к широтно-импульсному контроллеру 4, и двух последовательно включенных конденсаторов 5 и 6, подключен к источнику входного постоянного напряжения. В диагональ полумоста 1 включена первичная обмотка 7 трансформатора 8, началом к общей точке соединения ключей 2 и 3 полумоста, а концом к общей точке соединения конденсаторов 5 и 6 полумоста. Начало первой вторичной обмотки 9 трансформатора 8 соединено с началом второй вторичной обмотки 10. Конец первой вторичной обмотки 9 подключен к катоду диода 11, а конец второй вторичной обмотки 10 подключен к катоду диода 12, аноды диодов 11 и 12 объединены в общую точку соединения. Общие точки начал вторичных обмоток 9 и 10 трансформатора 8 и общие точки соединения анодов диодов 11 и 12 подключены ко входу Г-образного LC-фильтра 13, параллельно выходным зажимам которого подключена нагрузка 14. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Низковольтный преобразователь постоянного напряжения, содержащий полумостовой преобразователь постоянного напряжения в постоянное, трансформатор, имеющий первичную обмотку, включенную в диагональ полумостового преобразователя, подключенного к источнику постоянного входного напряжения, две вторичные обмотки трансформатора с последовательно включенными выпрямительными элементами подключены к Г-образному LC-фильтру, отличающийся тем, что две вторичные обмотки трансформатора с последовательно включенными выпрямительными элементами включены синфазно и параллельно относительно друг друга и подключены к входным зажимам Г-образного LC-фильтра, к выходным зажимам которого подключена нагрузка, при этом одна из вторичных обмоток трансформатора имеет большее число витков, чем другая.

2. Низковольтный полумостовой преобразователь постоянного напряжения по п.1, отличающийся тем, что последовательно с одной из обмоток трансформатора, включена линейная индуктивность.

3. Низковольтный полумостовой преобразователь постоянного напряжения по п.1, отличающийся тем, что выпрямительными элементами являются диоды.

4. Низковольтный полумостовой преобразователь постоянного напряжения по п.1, отличающийся тем, что выпрямительными элементами являются транзисторы, подключенные к введенной схеме управления.