Высокоэффективный 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 и статических потерь.

Известны преобразователи постоянного напряжения с активным клампированием [1].

Недостатком известного преобразователя постоянного напряжения 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, подключённую 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, 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 высокоэффективном 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 функционально разделена таким образом, что она функционирует на интервале времени включенного состояния силового регулирующего ключа и через выпрямительный диод подключена к первому конденсатору фильтра, и эта же обмотка, функционирует на интервале времени выключенного состояния силового регулирующего ключа и включенного дополнительного ключа клампирующего элемента, и через выпрямительный диод подключена непосредственно или через дополнительную индуктивность к входу второго конденсатора фильтра включенного последовательно с первым конденсатором фильтра, параллельно которым включена нагрузка.

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 высокоэффективного преобразователя постоянного напряжения с активным клампированием; на фиг.2 представлена принципиальная электрическая схема высокоэффективного преобразователя постоянного напряжения с активным клампированием с дополнительно включенной индуктивностью L.

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 вторым выходным конденсатором фильтра, второй вывод которого через выпрямительный диод 10, анод которого подключен к второму выводу конденсатора 9, а катод к началу обмотки 6, параллельно которым включена нагрузка 11. Управляющие электроды ключей 3, 5 подключены к широтно-импульсному контроллеру 12.

На фиг.2, представлена принципиальная электрическая схема высокоэффективного преобразователя постоянного напряжения с активным клампированием, в котором последовательно с диодом 10 включена линейная индуктивность 13.

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 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 nV_IN, где n - 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 запирается, а выпрямительный диод 10 переходит в проводящее состояние. В результате этого процесса на конденсаторе 9 устанавливается напряжение nV_IND/(1-D). Выходное напряжение на нагрузке 11 равное nV_IN/(1-D) 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 nV_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 10 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 равного nV_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. Включение линейной индуктивности 13 последовательно с диодом 10 усиливает эффект разнесения фронтов тока и напряжения на силовом регулирующем ключе 3, возрастающем с увеличением величины индуктивности. Дополнительно к этому, данная индуктивность исключает возможность восстановления магнитных свойств трансформатора по вторичной обмотке 6 трансформатора 2 полностью переключая восстановление трансформатора 2 по первичной обмотке 1 клампирующим элементом.

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 высокоэффективный 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 его выключении, а также уменьшения статических потерь в силовом ключе вследствие прямоугольности тока.

1. А.с. №892614 (СССР) МКИ H02M3/335 “Однотактный регулятор постоянного напряжения” А.Г. Поликарпов, Е.Ф. Сергиенко.

Изобретение относится к электротехнике 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 и статических потерь. Технический результат изобретения - формирование постоянного выходного напряжения из постоянного входного напряжения и уменьшение динамических и статических 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 вторичной обмотки (6). Конец вторичной обмотки (6) подключен к одному из выводов конденсатора (9). Второй вывод конденсатора (9) подключен к аноду выпрямительного диода (10), катод которого подключен к началу вторичной обмотки (6). Параллельно последовательно включенным конденсаторам (8, 9) подключена нагрузка (11). Управляющие электроды ключей (3, 5) подключены к широтно-импульсному контроллеру (12). 1 з.п. ф-ы, 2 ил.

1. Высокоэффективный 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, отличающийся тем, что обеспечение регулирования выходного напряжения, формирование прямоугольности тока через силовой регулирующий ключ и включение силового регулирующего ключа на нулевое значение тока осуществляется подключением к началу вторичной обмотки трансформатора последовательно первого диода, включенного анодом к началу вторичной обмотки, катодом к зажиму первого конденсатора, второй вывод которого подключен к концу вторичной обмотки, и второго диода, включенного катодом к началу вторичной обмотки, а анодом к зажиму второго конденсатора, подключенного последовательно с первым конденсатором, параллельно которым включена нагрузка.

2. Высокоэффективный преобразователь постоянного напряжения с активным клампированием по п.1, отличающийся тем, что последовательно со вторым диодом включена линейная индуктивность.