Обратноходовой преобразователь постоянного напряжения с активным клампированием Российский патент 2024 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 обратноходовые преобразователи постоянного напряжения [1].

Недостатками известного обратноходового преобразователя постоянного напряжения являются отсутствие возможности включения силового ключа на нулевое значение тока, что приводит к увеличению динамических потерь в силовом ключе при его включении, а также наличие индуктивности рассеяния первичной обмотки, что создает всплески напряжения на силовом ключе при его выключении и может привести к разрушению силового ключа.

Наиболее близок по технической сущности к предлагаемому устройству обратноходовой преобразователь постоянного напряжения приведенный в [1], содержащий первичную обмотку трансформатора, подключённую через силовой регулирующий ключ к зажимам входного источника постоянного напряжения, трансформатор, осуществляющий электрическую развязку и получение требуемого уровня постоянного выходного напряжения, вторичную обмотку, подключенную через выпрямительный диод ко входу C-фильтра, к выходу которого подключена нагрузка.

Цель изобретения - устранение указанных недостатков.

Поставленная цель достигается тем, что в обратноходовом 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 вторичная обмотка трансформатора через выпрямительный диод с последовательно включенной линейной индуктивностью подключена к конденсатору фильтра, параллельно которому включена нагрузка.

На фиг.1 показана принципиальная электрическая схема выполнения предлагаемого обратноходового преобразователя постоянного напряжения с активным клампированием.

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 концом вторичной обмотки 6 трансформатора 2 соединен анод выпрямительного диода 7, катод которого через последовательно включенную линейную индуктивность 8 подключен к одному из выводов конденсатора 9, второй вывод которого подключен к началу обмотки 6. Параллельно конденсатору 9 включена нагрузка 10. Управляющие электроды ключей 3, 5 подключены к широтно-импульсному контроллеру 11.

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 накопление энергии в индуктивности намагничивания, определяемой обмоткой 1 трансформатора 2.

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 включается и через него начинается нарастание тока, зависящего от величины последовательно включенной линейной индуктивности 8 до величины I_L/(1-D) где I_L - ток нагрузки. В результате этого процесса на конденсаторе 9 устанавливается выходное напряжение nV_IND/(1-D), где n - отношение витков обмотки 6 к обмотке 1.

После выключения клампирующего ключа 5 с некоторым временным опережением включения силового ключа 3, ток линейной индуктивности 8 продолжает протекать по последовательной цепи, составленной из вторичной обмотки 6, диода 7 и конденсатора 9 с параллельно включенной нагрузкой 10. Этот ток трансформируется в первичную обмотку 1 трансформатора 2 осуществляя разряд паразитной емкости силового ключа 3, выполненного на полевом транзисторе (MOSFET). При правильном выборе величины линейной индуктивности 8 паразитная емкость полевого транзистора (MOSFET) будет разряжена до нуля после чего может включиться паразитный обратный диод полевого транзистора (MOSFET). В результате этого процесса включение силового ключа 3 осуществляется на нулевое значение тока и тем самым исключаются динамические потери мощности на силовом ключе при включении.

Таким образом, предлагаемый обратноходовой 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, а вследствие наличия клампирующего элемента, исключаются всплески напряжения на силовом ключе при выключении, которое жестко фиксируется на уровне V_IN/(1-D).

Литература

1. [Поликарпов А.Г., Сергиенко Е.Ф. Однотактные преобразователи в устройствах электропитания РЭА, “Радио и связь”, 1989, стр.47 рис.2.1].

Изобретение относится к электротехнике и может быть использован в системах вторичного электропитания для преобразования, регулирования и стабилизации постоянного выходного напряжения, гальванически отделенного от входного постоянного напряжения и уменьшения динамических потерь. Технический результат изобретения – формирование постоянного выходного напряжения из постоянного входного напряжения и 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 концом вторичной обмотки (6) трансформатора (2) соединен анод выпрямительного диода (7), катод которого через последовательно соединенную линейную индуктивность (8) подключен к одному из выводов конденсатора (9), второй вывод которого подключен к началу обмотки (6). Параллельно конденсатору (9) включена нагрузка (10). Управляющие электроды ключей (3, 5) подключены к широтно-импульсному контроллеру (11). 1 ил.

Обратноходовой преобразователь постоянного напряжения с активным клампированием, содержащий трансформатор, имеющий первичную обмотку, подключенную через силовой регулирующий ключ к выводам источника постоянного входного напряжения, вторичную обмотку с выпрямительным диодом, подключенную к емкостному фильтру, отличающийся тем, что параллельно первичной обмотке трансформатора подключен клампирующий элемент, составленный из последовательно соединенных конденсатора и дополнительного ключа, выполненного на полевом транзисторе, а последовательно вторичной обмотке трансформатора, включенной последовательно с выпрямительным диодом, включена линейная индуктивность.