РЕЗОНАНСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2024 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к области электротехники, в частности, преобразовательной техники, и может быть использовано при проектировании вторичных источников электропитания различного назначения.

Известны и широко применяются различные традиционные транзисторные однотактные и двухтактные преобразователи напряжения с коммутируемым напряжением прямоугольной формы [1,2]. Существенными недостатками таких преобразователей являются большие объем и масса и низкий КПД из-за больших коммутационных потерь мощности при переключении транзисторов.

Известны также резонансные преобразователи напряжения, содержащие в силовых цепях, кроме ключевых транзисторов, колебательный (резонансный) контур, состоящий из резонансных конденсатора и дросселя. Резонансный контур обеспечивает практически синусоидальную форму кривой тока в силовых цепях при прямоугольной форме напряжения на выходе ключевых элементов. Вследствие этого, обеспечивается существенное уменьшение потерь мощности в силовых транзисторах при их переключении, повышение КПД преобразователя и уменьшение объема и массы его элементов. Различные схемы однотактных и двухтактных (полумостовых и мостовых) резонансных преобразователей напряжения приведены в [3-9]. Недостатками этих преобразователей являются большое количество элементов и, несмотря на наличие резонансного контура, все еще значительные потери мощности в ключевых транзисторах и низкий КПД при высокой частоте их переключения, а также большие объем и масса элементов при низкой частоте преобразования.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению, которое может быть принято за прототип, является однотактный преобразователь напряжения, содержащий ключевой транзистор, обратный диод, трансформатор, выпрямитель и сглаживающий фильтр [2, с. 64-68].

В предлагаемом резонансном преобразователе напряжения обеспечивается уменьшение потерь мощности на переключение транзисторов и повышение КПД, а также снижение объема и массы элементов за счет того, что преобразование напряжения, его выпрямление и фильтрация производятся при высокой частоте - частоте собственных колебаний контура, а переключение транзисторов и диодов на более низкой частоте - частоте переключения транзисторов, которая в несколько раз ниже частоты собственных колебаний контура.

Для достижения технического результата в предлагаемом преобразователе напряжения работают два колебательных контура, состоящие из резонансного конденсатора, электромагнитного элемента с двумя первичными и одной вторичной обмотками, в котором совмещены функции резонансного дросселя и трансформатора, и двух ключевых транзисторов с обратными диодами. В этих контурах происходит свободный затухающий процесс, в течение которых энергия источника питания передается в нагрузку. Отпирание и закрывание транзисторов осуществляется при нулевых значениях тока контуров и очень малых потерях мощности в транзисторах при их переключении.

В материалах заявки приняты следующие обозначения:

1 - резонансный конденсатор; 2 - электромагнитный элемент; 3, 4 - первая и вторая первичные обмотки электромагнитного элемента; 5 - вторичная обмотка электромагнитного элемента; 6, 7 - первый и второй полевые или МОП - транзисторы; 8, 9 - первый и второй обратные диоды; 10 - выпрямитель; 11 - сглаживающий фильтр.

U_n - напряжение источника питания;

U_н, I_н - напряжение и ток нагрузки;

U_c - напряжение на конденсаторе;

i₁, i₂ - ток первого и второго колебательных контуров;

u₁, u₂ - напряжение первого и второго отпирающих импульсов;

τ, F=1/τ - период и частота собственных колебаний контуров;

t₁, t₂ - длительность первого и второго отпирающих импульсов;

Δt₁, Δt₂ - длительность временных интервалов между отпирающими импульсами;

Т=(t₁+Δt₁)+(t₂+Δt₂) - период переключений транзисторов;

ƒ - частота переключений транзисторов.

На фиг. 1 представлена структурная схема силовой части резонансного преобразователя напряжения. Преобразователь содержит два колебательных затухающих контура, первый из которых состоит из последовательно соединенных резонансного конденсатора 1, первой первичной обмотки 3 электромагнитного элемента 2 и первого ключевого полевого или МОП - транзистора 6 с обратным диодом 8, а второй контур состоит из конденсатора 1, второй первичной обмотки 4 электромагнитного элемента 2 и второго транзистора 7 с обратным диодом 9. Электромагнитный элемент 2 имеет вторичную обмотку 5 и совмещает функции резонансного дросселя и трансформатора [1, с. 162, 163]. К выводам вторичной обмотки 5 подключены последовательно соединенные выпрямитель 10 и сглаживающий фильтр 11. В состав преобразователя входит устройство управления (на схеме фиг. 1 не показано).

Первый вывод конденсатора 1 подключен к положительному зажиму источника питания, второй вывод конденсатора через первичную обмотку 3 электромагнитного элемента 2 подключен к стоку транзистора 6, исток которого подключен к отрицательному зажиму источника питания.

К первому выводу конденсатора 1 через первичную обмотку 4 электромагнитного элемента 2 подключен сток транзистора 7, исток которого подключен к второму выводу конденсатора 1.

Выпрямитель 10 может быть выполнен по любой однофазной схеме, в частности, двухполупериодной или мостовой. В качестве сглаживающего фильтра могут быть использованы С-фильтр или LC-фильтр.

Диаграммы напряжения на конденсаторе 1 u_c и токов контуров i₁, i₂, а также напряжений отпирающих импульсов u₁, u₂ приведены на фиг. 2.

Предлагаемый резонансный преобразователь напряжения работает следующим образом.

Первый и второй контуры работают поочередно, каждый в течение половины периода Т.

После подачи отпирающих импульсов u₁ на транзистор 6 в первом контуре начинается переходной колебательный затухающий процесс, состоящий из нескольких колебаний. Форма этих колебаний близка к синусоиде. Период собственных колебаний контура равен τ. Длительность всего переходного процесса в контуре равна длительности отпирающих импульсов t₁ и t₂. После закрывания транзистора 6, через интервал времени Δt₁ отпирающий импульс u₂ подается на транзистор 7 второго контура и нем происходит аналогичный переходной процесс.

Частота F и период собственных колебаний контура τ, а также длительность колебательного процесса от его начала до затухания t₁, t₂ и число собственных колебаний контура зависят от параметров его элементов - емкости конденсатора 1 и индуктивности первичных обмоток 3, 4 электромагнитного элемента 2, которые выбираются при проектировании и расчете преобразователя. Практически целесообразно в течение переходного процесса иметь 3-5 собственных колебаний. Расчетное фиксированное значение длительности отпирающих импульсов t₁, t₂ должно быть не меньше длительности переходного процесса в контуре. Указанную постоянную длительность импульсов обеспечивает устройство управления преобразователя при всех режимах его работы.

Регулирование и стабилизация выходного напряжения преобразователя осуществляются системой автоматического регулирования устройства управления изменением временных интервалов между импульсами Δt₁, Δt₂. Минимальные значения этих интервалов должны быть достаточными для восстановления запирающих свойств транзисторов.

При таком способе регулирования изменяются период T и частота ƒ переключений транзисторов. При работе преобразователя в режиме стабилизации выходного напряжения при минимальном напряжении источника питания U_n и максимальном токе нагрузки I_н указанные интервалы имеют минимальное значение, а при максимальном U_n и минимальном I_н - максимальное.

При открытом состоянии транзисторов 6 и 7 в течение времени отпирающих импульсов t₁ и t₂ энергия, потребляемая преобразователем из источника питания, поступает в нагрузку. В течение времени t₁ ток i₁ протекает по первому колебательному контуру через конденсатор 1, первичную обмотку 3 электромагнитного элемента 2, трансформируется и через вторичную обмотку 5 электромагнитного элемента 2, выпрямитель 10 и сглаживающий фильтр 11 поступает в нагрузку. При положительной полуволне ток контура i₁ замыкается через транзистор 6, а при отрицательной полуволне - через обратный диод 8. В течение времени t₂ ток i₂ протекает аналогично по второму колебательному контуру. В конце всего переходного процесса в течение интервалов времени Δt₁, Δt₂ оба транзистора закрыты и ток обоих контуров равен нулю.

Из изложенного следует, что все элементы преобразователя, кроме транзисторов и обратных диодов, работают на высокой частоте (частоте собственных колебаний контуров), вследствие чего эти элементы имеют улучшенные объемно - массовые характеристики. Коммутация транзисторов и диодов происходит на более низкой частоте (частоте их переключения) в начале и конце переходного процесса в каждом колебательном контуре на временных интервалах между отпирающими импульсами Δt₁, Δt₂ при нулевом токе контура с минимальными потерями мощности при переключении. Это обеспечивает уменьшение объема и массы элементов предлагаемого преобразователя и повышение его КПД по сравнению с известными преобразователями.

Изобретение является новым, т.к. в доступных источниках информации не выявлено аналогов с подобной совокупностью существенных признаков.

Новым в изобретении является применение в резонансном преобразователе напряжения двух колебательных затухающих контуров, работающих и передающих в нагрузку энергию в течение всего переходного процесса в контурах, а также замена резонансного дросселя и трансформатора электромагнитным элементом, в котором совмещены их функции.

На основании изложенного может быть сделан вывод, что предлагаемое устройство обеспечивает положительный эффект.

Литература:

1. Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи. - М.: Энергоатомиздат, 1986, с. 81-84, 150-163.

2. Поликарпов А.Г., Сергиенко Е.Ф. Однотактные преобразователи напряжения в устройствах электропитания РЭА. - М.: Радио и связь, 1989, с. 64-77.

3. Макаров В.В. Импульсные ИВЭП с промежуточной импульсной формой напряжения. - ЭТВА / Под ред. Ю.И. Конева. - М.: Радио и связь, 1985, вып. 16, с. 44-51.

4. Ворох Д.А., Махов А.И. Резонансный преобразователь с широтно - импульсной регулировкой выходного напряжения. // Вестник Самарского университета, 2016. Т. 15, N3, с. 143-152.

5. Разработка резонансного полумостового LLC- преобразователя. Hong Huang. TI Literature Numeer: SL U263. Переведено для сайта http: valvolodin.ru.

6. Патент РФ 2110881.

7. Патент РФ 2459342.

8. Патент РФ 2186452.

9. Патент США 4263642.

Изобретение относится к области электротехники, в частности преобразовательной техники, и может быть использовано при проектировании и разработке вторичных источников питания различного назначения. Техническим результатом изобретения является уменьшение объема и массы элементов и повышение КПД резонансного преобразователя напряжения за счет уменьшения потерь мощности при переключении силовых транзисторов. Резонансный преобразователь напряжения содержит два колебательных затухающих контура, каждый из которых состоит из последовательно соединенных резонансного конденсатора, первичной обмотки электромагнитного элемента, который совмещает функции резонансного дросселя и трансформатора, и ключевого транзистора с обратным диодом. К выводам вторичной обмотки электромагнитного элемента подключены выпрямитель и сглаживающий фильтр. В преобразователь входит также устройство управления. На ключевые транзисторы подаются отпирающие импульсы, длительность которых не меньше длительности затухающего колебательного процесса контура, и поддерживается устройством управления постоянной при всех режимах работы преобразователя, регулирование выходного напряжения которого обеспечивается изменением длительности временных интервалов между импульсами. Колебательные контуры работают поочередно в течение периода переключений транзисторов. Все элементы преобразователя, кроме транзисторов и обратных диодов, работают на высокой собственной частоте колебательных контуров, а транзисторы и диоды - на пониженной частоте переключения транзисторов. 2 ил.

Резонансный преобразователь напряжения, содержащий первый и второй колебательные контуры, состоящие из последовательно соединенных резонансного конденсатора, электромагнитного элемента, в котором совмещены функции резонансного дросселя и трансформатора, с первой и второй первичными и одной вторичной обмотками, первого и второго полевых или МОП - транзисторов с обратными диодами, выпрямитель, подключенный к выводам вторичной обмотки электромагнитного элемента, сглаживающий фильтр и устройство управления, отличающийся тем, что первый вывод конденсатора подключен к положительному зажиму источника питания, второй вывод конденсатора через первую первичную обмотку электромагнитного элемента подключен к стоку первого транзистора, исток которого подключен к отрицательному зажиму источника питания, к первому выводу конденсатора через вторую первичную обмотку электромагнитного элемента подключен также сток второго транзистора, исток которого подключен к второму выводу конденсатора, устройство управления обеспечивает поочередную работу контуров в течение периода переключений транзисторов путем подачи на затвор первого и второго транзисторов отпирающих импульсов, длительность которых не меньше времени затухания колебательного процесса контура, и остается постоянной при всех режимах работы преобразователя, отпирающие импульсы подаются на транзисторы первого и второго контуров с временными интервалами между ними, регулирование выходного напряжения преобразователя осуществляется изменением длительности указанных временных интервалов.