Двухтактный преобразователь постоянного напряжения Российский патент 2024 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к двухтактным преобразователям постоянного напряжения, и может быть использовано в системах вторичного электропитания для преобразования, стабилизации и регулирования постоянного выходного напряжения, гальванически отделенного от входного постоянного напряжения.

Известныдвухтактные преобразователи постоянного напряжения с гальваническим разделением выходного постоянного напряжения от входного постоянного напряжения [1].

Недостатком известных двухтактныхпреобразователей постоянного напряжения с гальваническим разделением выходного постоянного напряжения от входного постоянного напряжения является высоковольтный всплеск напряжения на силовых регулирующих ключах при их выключении из-за наличия индуктивностей рассеяния первичных обмоток трансформатора, к которым подключенысиловые регулирующие ключи.

Наиболее близок по технической сущности к предлагаемому устройству двухтактный преобразователь постоянного напряжения с гальваническим разделением выходного постоянного напряжения от входного постоянного напряжения содержащий две первичные обмотки трансформатора включенные согласно, общая точка соединения которых подключена к положительному выводу входного источника постоянного напряжения, а через два регулирующих ключа выполненных на полевых транзисторах MOSFET, подключенных первыми полюсами к противоположным выводам первичных обмоток трансформатора, а вторыми полюсами к отрицательному выводу входного источника постоянного напряжения, образующему общую шину, две вторичные обмотки трансформатора, включенные согласно, к противоположным выводам которых анодами подключены два выпрямительных диода, катоды которых объединены в общую точку соединения и подключены ко входуГ-образного LC-фильтра, к выходным зажимам которого подключена нагрузка, а общая точка соединения вторичных обмоток подключена к нагрузке [1].

Недостатком данного двухтактного преобразователя постоянного напряжения являются высоковольтные всплески напряжения на силовых регулирующих ключахпри их выключении из-за наличия индуктивностей рассеяния на первичных обмотках трансформатора, к которым подключены силовые регулирующие ключи.

Цель изобретения - устранение высоковольтных всплесков напряжения на силовых регулирующих ключах при их выключении из-за наличия индуктивностей рассеяния на первичных обмотках трансформатора, к которым подключены силовые регулирующие ключи.

Поставленная цель достигается тем, что в двухтактном преобразователе постоянного напряжения две первичные обмотки трансформатора, включенные встречно, соединяются через конденсатортаким образом, что первая первичная обмотка трансформатора началом подключена к положительному выводу входного постоянного напряжения, концом к первому силовому регулирующему ключувыполненному на полевом транзисторе MOSFET, второй полюс которого подключен к отрицательному выводу входного источника постоянного напряжения,образующего общую шину,а вторая первичная обмотка трансформатора концом подключена к первому полюсу второго силового регулирующего ключа выполненного на полевом транзисторе MOSFET, второй полюс которого подключен к положительному выводу источника входного постоянного напряжения, а начало второй первичной обмотки подключено к общей шине входного источника постоянного напряжения.

На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема двухтактного преобразователя постоянного напряжения.

В нем начало первой первичной обмотки 1 трансформатора 2 соединено с положительным выводом входного источника постоянного напряжения, а конец первой первичной обмотки через первый силовой регулирующий ключ 3,выполненный на полевом транзисторе MOSFET,подключен к отрицательному выводу входного источника постоянного напряжения, образующему общую шину. К общей точке соединения первого силового регулирующего ключа 3 с концом первичной обмотки 1 подключен конденсатор 4, второй полюс которого подключен к концу второй первичной обмотки 5, начало которой подключено к общей шине.К общей точке соединения конденсатора 4 с концом второй первичной обмотки 5 подключен первый полюс второго силового регулирующего ключа 6,выполненного на полевом транзисторе MOSFET, второй полюс которого соединен с положительным выводом входного источника постоянного напряжения. С началом вторичной обмотки 7 трансформатора 2, соединен анод выпрямительного диода 8, катод которого подключен к входным зажимам Г-образного LC-фильтра 9, к выходным зажимам которого подключена нагрузка 10. К концу вторичной обмотки 7 трансформатора 2 подключено начало второй вторичной обмотки 11, конец которой подключен к аноду выпрямительного диода 12, катод которого подключен входным зажимам Г-образного LC-фильтра 9. Общая точка соединения вторичных обмоток 7,11 подключена к нагрузке 10.

Принцип действия предлагаемого двухтактного преобразователя постоянного напряжения рассмотрим исходя из предположения идеальности ключевых элементов, установившегося режима работы и непрерывности изменения магнитного потока в сердечнике трансформатора 2.

Обозначим через D относительную к полупериоду T/2 длительность включенного состояния силового регулирующего ключа 3выполненного на полевом транзисторе MOSFET,поскольку силовые регулирующие ключи 3,6 находятся в проводящем состоянии с временным сдвигом T/2. В этом случае на этапе замкнутого состояния DT ключа 3 происходит передача энергии в нагрузку через прямосмещенный выпрямительный диод 8, обмотку 7 и Г-образный LC-фильтр 9.

После выключения силового регулирующего ключа 3 поддержание протекания тока в нагрузке 10 происходит за счет включения второго выпрямительного диода 12, в результате чего ток в проводящем диоде 8 уменьшается вдвое, а выпрямительные диоды 8,12 проводят выходной ток нагрузки.Через интервал времени T/2 включается второй силовой регулирующий ключ 6выполненный на полевом транзисторе MOSFET, что приводит к выключению выпрямительного диода 8, а весь ток нагрузки переключается на диод 12, через который передается энергия в выходную цепь на втором такте работы двухтактного преобразователя постоянного напряжения. Силовой регулирующий ключ 6 находится в проводящем состоянии в течение времени DT.После выключения силового регулирующего ключа 6, вновь включается второй выпрямительный диод 8 и поддержание протекания тока в нагрузке 10 осуществляется за счет параллельной работы выпрямительных диодов 12,8 через которые на данном интервале времени протекают половинные величины тока нагрузки.

В результате описанной работы двухтактного преобразователя постоянного напряжения на нагрузке устанавливается выходноепостоянное напряжение 2nV_IND, где n=N₇/N₁=N₁₁/N₅, а на силовых регулирующих ключах 3,6 выполненных на полевых транзисторах MOSFET на интервалах времени DT устанавливается напряжение 2V_IN, обусловленное суммой напряжений входного напряжения V_IN и на конденсаторе 4 также равного V_IN, и равное V_IN, когда оба силовые ключи выключены.

Исключение высоковольтного всплеска напряжения на выключаемом силовом регулирующем ключе, обусловленного наличием индуктивностей рассеяния первичных обмоток трансформатора, работающих в параллель по отношению к включенному силовому регулирующему ключу, вызвано тем, что ток паразитных индуктивностей рассеяния первичных обмоток трансформатора замыкается через конденсатор 4, источник входного постоянного напряжения и паразитный диод выключенного ключа,выполненного на полевом транзисторе MOSFET. Поскольку первичные обмотки 1,5 трансформатора 2 работают в параллель при передаче энергии в нагрузку на интервалах времени DT, то это позволяет использовать провод с меньшим сечением при их реализации.

Таким образом, предлагаемыйдвухтактный преобразователь постоянного напряжения по сравнению с известным устройством позволяет исключить влияние индуктивностей рассеяния первичных обмоток трансформатора на высоковольтный всплеск на силовых регулирующих ключахпри их выключении и тем самым повысить надежность и эффективность двухтактного преобразователя постоянного напряжения с передачей энергии в импульсе.

1. Robert W. Erickson “Fundamentals of Power Electronics”. стр.165 Фиг.6.29.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к двухтактным преобразователям постоянного напряжения, и может быть использовано в системах вторичного электропитания для преобразования, стабилизации и регулирования постоянного выходного напряжения, гальванически отделенного от входного постоянного напряжения. Технический результат - устранение высоковольтных всплесков напряжения на силовых регулирующих ключах при их выключении из-за наличия индуктивностей рассеяния на первичных обмотках трансформатора, к которым подключены силовые регулирующие ключи. Устройство содержит силовой трансформатор 2, в котором начало первой первичной обмотки 1 соединено с положительным выводом входного источника постоянного напряжения, а конец первой первичной обмотки 1 через силовой регулирующий ключ 3, выполненный на полевом транзисторе MOSFET, подключен к отрицательному выводу входного источника постоянного напряжения, образующего общую шину. К общей точке соединения первого регулирующего ключа 3 с концом первой первичной обмотки 1 подключен конденсатор 4, второй полюс которого подключен к концу второй первичной обмотки 5, начало которой подключено к общей шине. К общей точке соединения конденсатора 4 с концом второй первичной обмотки 5 подключен второй силовой регулирующий ключ 6, выполненный на полевом транзисторе MOSFET, второй полюс которого соединен с положительным выводом входного источника постоянного напряжения. С началом вторичной обмотки 7 трансформатора 2 соединен анод выпрямительного диода 8, катод которого подключен к входным зажимам Г-образного LC-фильтра 9, к выходным зажимам которого подключена нагрузка 10. К концу вторичной обмотки 7 трансформатора 2 подключено начало второй вторичной обмотки 11, конец которой подключен к аноду выпрямительного диода 12, катод которого подключен к входным зажимам Г-образного LC-фильтра 9. Общая точка соединения вторичных обмоток 7, 11 подключена к нагрузке 10. 1 ил.

Двухтактный преобразователь постоянного напряжения, содержащий трансформатор, включающий в себя две первичные обмотки, положительный вывод входного источника постоянного напряжения, отрицательный вывод входного источника постоянного напряжения, образующий общую шину, два силовых регулирующих ключа, выполненных на полевых транзисторах MOSFET, две вторичные обмотки, включенные согласно, противоположные выводы которых через выпрямительные диоды подключенные анодами к выводам обмоток, а катодами объединены в общую точку соединения, подключенную к входным зажимам Г-образного LC-фильтра, к выходным зажимам которого подключена нагрузка, а общая точка соединения вторичных обмоток подключена к нагрузке, отличающийся тем, что введен конденсатор, две первичные обмотки трансформатора включены встречно и последовательно через конденсатор таким образом, что начало первой первичной обмотки подключено к положительному выводу входного источника постоянного напряжения, конец которой через первый силовой регулирующий ключ, выполненный на полевом транзисторе MOSFET, подключен к общей шине, при этом общая точка соединения конца первой первичной обмотки с первым силовым регулирующим ключом соединена с первым полюсом конденсатора, второй полюс которого соединен с концом второй первичной обмотки, начало которой подключено к общей шине, общая точка соединения конца второй первичной обмотки с конденсатором подключена через второй силовой регулирующий ключ, выполненный на полевом транзисторе MOSFET, к положительному выводу входного источника постоянного напряжения.