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

Изобретение относится к электротехнике, в частности к однотактным 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 однотактные преобразователи постоянного напряжения с гальваническим разделением выходного постоянного напряжения от входного постоянного напряжения [1].

Недостатком известных однотактных преобразователей постоянного напряжения с гальваническим разделением выходного постоянного напряжения от входного постоянного напряжения является высоковольтный всплеск напряжения на силовом ключе при его включении из-за наличия индуктивности рассеяния первичной обмотки трансформатора, к которой подключен силовой регулирующий ключ, низкая эффективность выходной цепи, работа сердечника силового трансформатора по частному циклу намагничивания.

Наиболее близок по технической сущности к предлагаемому устройству однотактный преобразователь постоянного напряжения с гальваническим разделением выходного постоянного напряжения от входного постоянного напряжения, содержащий первую первичную обмотку трансформатора, подключенную началом к положительному выводу входного источника постоянного напряжения, а через регулирующий ключ к отрицательному выводу образующему общую шину, вторую первичную обмотку трансформатора, включенную концом к положительному выводу входного постоянного напряжения, а началом к катоду диода, анод которого подключен к общей шине, вторичную обмотку трансформатора, включенную через первый диод ко входу Г-образного LC-фильтра, к выходу которого подключена нагрузка, а на входе которого подключен второй шунтирующий диод, катод которого объединен в общую точку соединения с катодом первого диода [1]. Недостатком данного однотактного преобразователя постоянного напряжения является высоковольтный всплеск напряжения на силовом регулирующем ключе при его включении из-за наличия индуктивности рассеяния первичной обмотки трансформатора, к которой подключен силовой регулирующий ключ.

Цель изобретения - устранение высоковольтного всплеска напряжения на силовом регулирующем ключе при его включении из-за наличия индуктивности рассеяния на первичной обмотке трансформатора, к которой подключен силовой регулирующий ключ, повышение эффективности выходной цепи, симметрирование намагничивания силового трансформатора.

Поставленная цель достигается тем, что в однотактном преобразователе постоянного напряжения 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 силовому регулирующему ключу, второй полюс которого подключен к отрицательному выводу входного источника постоянного напряжения, образующего общую шину, а вторая первичная обмотка концом подключена к аноду диода, катод которого подключен к положительному выводу источника постоянного напряжения, при этом начало второй первичной обмотки подключено к общей шине входного источника постоянного напряжения.

На фиг. 1 и 2 представлены принципиальные электрические схемы вариантов выполнения квазидвухтактного однотактного преобразователя постоянного напряжения.

На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая квазидвухтактного однотактного преобразователя постоянного напряжения.

На фиг. 2 представлена принципиальная электрическая квазидвухтактного однотактного преобразователя постоянного напряжения с дополнительно введенной обмоткой.

В нем (Фиг. 1) начало первичной обмотки 1 трансформатора 2 соединено с положительным выводом входного источника постоянного напряжения, а конец первичной обмотки 1 через регулирующий ключ 3 подключен к отрицательному выводу входного источника постоянного напряжения, образующему общую шину. К общей точке соединения 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 обмотки 5 подключен анод диода 6, катод которого соединен с положительным выводом входного источника постоянного напряжения. Между началом и концом вторичной обмотки 7 трансформатора 2 включены две линейные индуктивности 8, 9, включенные последовательно. К началу и концу вторичной обмотки 7 анодами подключены выпрямительные диоды 10, 11, катоды которых объединены в общую точку соединения 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 квазидвухтактного однотактного преобразователя постоянного напряжения рассмотрим исходя из предположения идеальности ключевых элементов, установившегося режима работы и непрерывности изменения магнитного потока в сердечнике трансформатора 2 и линейных индуктивностей 8, 9, в которых в установившемся режиме протекают половинные величины тока нагрузки.

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 10, обмотку 7, нагрузку 13 и линейную индуктивность 9. После выключения регулирующего ключа 3 на интервале времени (1-D)T протекают одновременно два процесса включение диода 6 и передача энергии в выходную цепь через прямосмещенный выпрямительный диод 11, обмотку 7, нагрузку 13 и линейную индуктивность 8. Процесс передачи энергии в выходную цепь продолжается в течение восстановления магнитных свойств трансформатора 2, то есть в течение проводящего состояния диода 6. Указанный интервал времени приблизительно равен времени DT что следует из баланса вольт-секундных площадей на первичных обмотках трансформатора. Передача энергии в выходную цепь на этом интервале времени повышает эффективность выходной цепи. На этом интервале времени напряжение на выключенном ключе 3 равно 2V_IN, при этом полностью исключается влияние индуктивностей рассеяния первичных обмоток 1,5 трансформатора 2 поскольку выключение ключа 3 происходит на фиксированный источник постоянного напряжения, обусловленный суммой напряжений V_IN + V_C = 2V_IN, так как V_C = V_IN. После выключения диода 6 ток в нагрузке поддерживается за счет одновременного проводящего состояния выпрямительных диодов 10, 11 и суммирования средних токов линейных индуктивностей 8, 9, а напряжение на выключенном ключе 3 падает до величины V_IN. Через интервал времени T происходит очередное включение регулирующего ключа 3 передача энергии в выходную цепь по цепи прямосмещенный выпрямительный диод 10, вторичную обмотку 7, нагрузку 13 и линейную индуктивность 9. При этом регулирующий ключ 3 включается на ток линейной индуктивности 9, который меньше тока нагрузки, а недостающая величина добавляется из линейной индуктивности 8, что приводит к тому, что через выпрямительный диод 10 течет ток нагрузки. Аналогичные процессы протекают при восстановлении магнитных свойств трансформатора, когда проводит выпрямительный диод 11, тогда недостающая величина до тока нагрузки через диод 11 добавляется из линейной индуктивности 9.

В результате описанного процесса работа квазидвухтактного однотактного преобразователя постоянного напряжения на выходе устанавливается выходное напряжение V₀ = nV_IND, где n=N₇/N₁= N₇/N₅.

Следует также заметить, что первичные обмотки 1, 5 трансформатора 2 работают в параллель и при передаче энергии в нагрузку в импульсе, т.е. в течение времени DT включенного состояния регулирующего ключа 3, и на интервале времени восстановления трансформатора 2 также равного DT, что позволяет использовать провод с меньшим сечением при их реализации.

Введение (Фиг. 1) дополнительной вторичной размагничивающей обмотки 14 трансформатора 2, не влияющей на среднее значение выходного напряжения, поскольку среднее значение на ней равно нулю, позволяет перевести магнитопровод трансформатора 2 из режима перемагничивания по частному циклу в режим симметричного перемагничивания, точно так как это происходит в двухтактных преобразователях постоянного напряжения. В этом режиме работы магнитопровода трансформатора 2 интервал времени восстановления t_восст в точности равен DT.

Таким образом, предлагаемый квазидвухтактный однотактный преобразователь постоянного напряжения, по сравнению с известным устройством позволяет исключить влияние индуктивности рассеяния первичной обмотки трансформатора на высоковольтный всплеск на регулирующем ключе при его выключении, к которой подключен регулирующий ключ, повысить эффективность выходной цепи, обеспечить симметрирование перемагничивания силового трансформатора.

1. Поликарпов А.Г., Сергиенко Е.Ф. Однотактные преобразователи в устройствах электропитания РЭА, “Радио и связь”, 1989, стр.65 рис.3.3..

Изобретение относится к электротехнике, в частности к однотактным 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 высоковольтного всплеска напряжения на силовом регулирующем ключе при его включении из-за наличия индуктивности рассеяния на первичной обмотке трансформатора, к которой подключен силовой регулирующий ключ, повышение эффективности выходной цепи, симметрирование намагничивания силового трансформатора. 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 регулирующий ключ 3 подключен к отрицательному выводу входного источника постоянного напряжения, образующему общую шину. К общей точке соединения 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 обмотки 5 подключен анод диода 6, катод которого соединен с положительным выводом входного источника постоянного напряжения. Между началом и концом вторичной обмотки 7 трансформатора 2 включены две линейные индуктивности 8,9 включенные последовательно. К началу и концу вторичной обмотки 7 анодами подключены выпрямительные диоды 10,11, катоды которых объединены в общую точку соединения 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 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Квазидвухтактный однотактный преобразователь постоянного напряжения содержащий трансформатор, включающий в себя две первичные обмотки, входной источник постоянного напряжения, регулирующий ключ, отрицательный вывод входного источника постоянного напряжения, образующий общую шину, диод, катод которого подключен к началу первой первичной обмотки, вторичную обмотку, подключенную через выпрямительный диод к входным зажимам Г-образного LC-фильтра, к выходным зажимам которого подключена нагрузка, отличающийся тем, что введены конденсатор, две линейные индуктивности и второй выпрямительный диод, 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, а конец через регулирующий ключ к общей шине, общая точка соединения конца первой первичной обмотки с регулирующим ключом соединена с первым полюсом конденсатора, второй полюс которого соединен с концом второй первичной обмотки, начало которой подключено к общей шине, а к общей точке соединения конца второй первичной обмотки с конденсатором подключен анод диода, катод которого подключен к положительному выводу входного источника постоянного напряжения, при этом к началу и концу вторичной обмотки трансформатора параллельно включены последовательно включенные две линейные индуктивности, к которым анодами подключены первый и второй выпрямительные диод, катоды которых объединены в общую точку и подключены к первому полюсу конденсатора фильтра, второй полюс которого подключен к общей точке соединения линейных индуктивностей, параллельно конденсатору фильтра включена нагрузка.

2. Квазидвухтактный однотактный преобразователь постоянного напряжения по п.1 отличающийся тем, что между общей точкой соединения выпрямительных диодов и конденсатором фильтра включена дополнительная вторичная обмотка концом к общей точке соединения выпрямительных диодов, а началом к конденсатору фильтра.