Двухтактный преобразователь постоянного напряжения с удвоением тока 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.

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

Недостатком известных двухтактных преобразователей 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 подключены силовые регулирующие ключи, сложность трансформатора и малая эффективность выходной цепи.

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 входу Г-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 ключах при их выключении из-за наличия индуктивностей рассеяния на первичных обмотках трансформатора, к которым подключены силовые регулирующие ключи, сложность трансформатора и малая эффективность выходной цепи.

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, упрощение трансформатора и повышение эффективности выходной цепи.

Поставленная цель достигается тем, что в двухтактном преобразователе постоянного напряжения с удвоением тока две первичные обмотки трансформатора, включенные встречно, соединяются через конденсатор таким образом, что первая первичная обмотка трансформатора началом подключена к положительному выводу входного постоянного напряжения, концом к первому силовому регулирующему ключу, выполненному 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, параллельно одной вторичной обмотке включены две линейные индуктивности, а к началу и концу вторичной обмотки, анодами подключены два выпрямительных диода, катоды которых объединены в общую точку и подключены к первому полюсу конденсатора фильтра, второй полюс которого подключен к общей точке соединения линейных индуктивностей, параллельно конденсатора фильтра включена нагрузка.

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

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. Параллельно вторичной обмотке 7 трансформатора 2, включены последовательно две линейные индуктивности 8, 9, к противоположным концам соединения с вторичной обмоткой 7 которых, анодами подключены выпрямительные диоды 10, 11, катоды которых объединены в общую точку и подключены к первому полюсу конденсатора фильтра 12, второй полюс которого подключен к общей точке соединения линейных индуктивностей 8, 9. Параллельно конденсатору фильтра 12 включена нагрузка 13.

Принцип действия предлагаемого двухтактного преобразователя постоянного напряжения с удвоением тока рассмотрим исходя из предположения идеальности ключевых элементов, установившегося режима работы, при котором средние токи в линейных индуктивностях 8, 9 равны половине тока нагрузки, а также непрерывности изменения магнитного потока в сердечнике трансформатора 2.

Обозначим через D относительную к полупериоду T/2 длительность включенного состояния силового регулирующего ключа 3 выполненного 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 10, вторичную обмотку 7, нагрузку 13 и линейную индуктивность 9. При этом через вторичную обмотку 7 трансформатора 2 течет половинный ток нагрузки, вторая половина тока добавляется из линейной индуктивности 8, вследствие чего через выпрямительный диод 10, течет ток нагрузки, обусловленный суммой токов линейных индуктивностей 8, 9.

После выключения силового регулирующего ключа 3 поддержание протекания тока в нагрузке 13 происходит за счет суммирования токов линейных индуктивностей 8, 9 через выпрямительные диоды 10, 11, через которые в данный момент времени текут половинные значения тока нагрузки.

Через интервал времени T/2 включается второй силовой регулирующий ключ 6, выполненный на полевом транзисторе MOSFET, что приводит к выключению выпрямительного диода 10 и продолжению протекания тока через выпрямительный диод 11, через который теперь течет весь ток нагрузки, обусловленный протеканием половинного тока нагрузки линейной индуктивности 9 и добавившейся второй половины тока нагрузки за счет протекания тока выпрямительного диода 11, нагрузки 13, линейной индуктивности 8, вторичной обмотки 7. После выключения второго силового регулирующего ключа 6 через интервал времени DT половинные токи нагрузки, протекающие через линейные индуктивности 8, 9 через выпрямительные диоды 10, 11, переключаются на нагрузку, обеспечивая полный ток нагрузки, а на вторичной обмотке 7 устанавливается нулевое напряжение. Заметим, что в отличие от прототипа ток нагрузки через вторичную обмотку 7 не протекает и вторичная обмотка 7 одна, а не две, как в прототипе, что повышает эффективность вторичной цепи.

В результате описанной работы двухтактного преобразователя постоянного напряжения с удвоением тока на нагрузке устанавливается выходное постоянное напряжение nV_IND, где n=N₇/N₁=N₇/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 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, предлагаемый двухтактный преобразователь постоянного напряжения с удвоением тока по сравнению с известным устройством, позволяет исключить влияние индуктивностей рассеяния первичных обмоток трансформатора на высоковольтный всплеск на силовых регулирующих ключах при их выключении, повысить эффективность вторичной цепи за счет использования одной вторичной обмотки и протекания тока через нее половинного значения тока нагрузки, и эффективность двухтактного преобразователя постоянного напряжения с удвоением тока в целом.

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, упрощение трансформатора и повышение эффективности выходной цепи. 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. Параллельно вторичной обмотке 7 трансформатора 2 включены последовательно две линейные индуктивности 8, 9, а к началу и концу вторичной обмотки 7 анодами подключены два выпрямительных диода 10, 11, катоды которых объединены в общую точку и подключены к первому полюсу конденсатора фильтра 12, второй полюс которого подключен к общей точке соединения линейных индуктивностей 8, 9, параллельно конденсатору фильтра 12 включена нагрузка 13. 1 ил.

Двухтактный преобразователь постоянного напряжения с удвоением тока, 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, вторичную обмотку, выводы которой через два выпрямительных диода подключенные анодами к выводам вторичной обмотки, а катодами объединенными в общую точку соединения, подключены к полюсу фильтра, подключенного к нагрузке, отличающийся тем, что введены конденсатор и две линейные индуктивности, включенные последовательно, фильтр выполнен в виде конденсатора, 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 первой первичной обмотки 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, параллельно вторичной обмотке трансформатора подключены две линейные индуктивности, второй полюс конденсатора фильтра подключен к общей точке соединения линейных индуктивностей, параллельно конденсатору фильтра включена нагрузка.