Трансформаторный широкодиапазонный обратноходовой преобразователь постоянного напряжения с пассивным 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 потерь.

Известны обратноходовые преобразователи постоянного напряжения [1].

Недостатками известного обратноходового преобразователя постоянного напряжения является наличие индуктивности рассеяния первичной обмотки, что создает всплески напряжения на силовом ключе при его выключении и может привести к разрушению силового ключа, а также наличие большого зазора, что приводит к увеличению размера трансформатора, дополнительным потерям и работе трансформатора по частному циклу перемагничивания сердечника трансформатора.

Наиболее близок по технической сущности к предлагаемому устройству обратноходовой преобразователь постоянного напряжения приведенный в [1], содержащий первичную обмотку трансформатора, подключённую через силовой регулирующий ключ к зажимам входного источника постоянного напряжения, трансформатор, осуществляющий электрическую развязку и получение требуемого уровня постоянного выходного напряжения, вторичную обмотку, подключенную через выпрямительный диод ко входу C-фильтра, к выходу которого подключена нагрузка.

Цель изобретения - устранение указанных недостатков.

Поставленная цель достигается тем, что в трансформаторном широкодиапазонном обратноходовом преобразователе постоянного напряжения с активным клампированием, первичная обмотка трансформатора которого через силовой регулирующий ключ подключена к зажимам входного источника постоянного напряжения, параллельно которой включен активный клампирующий элемент, вторичная обмотка трансформатора через выпрямительный диод подключена к первичной обмотке двухобмоточной линейной индуктивности, вторичная обмотка которой через второй выпрямительный диод подключена к конденсатору фильтра, параллельно которому включена нагрузка.

На фиг. 1 показана принципиальная электрическая схема выполнения предлагаемого трансформаторного широкодиапазонного обратноходового преобразователя постоянного напряжения с пассивным клампированием.

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, подключен к отрицательному полюсу входного источника постоянного напряжения образующему общую шину. Параллельно первичной обмотке 1 трансформатора 2 включен пассивный клампирующий элемент, составленный из последовательно соединенных диода 5 и конденсатора 4 с параллельно включенным резистором 6.

С концом вторичной обмотки 7 трансформатора 2 соединен катод выпрямительного диода 8, анод которого через первичную обмотку 10 двухобмоточной линейной индуктивности 9 подключен к началу вторичной обмотки 7. Вторичная обмотка 11 двухобмоточной линейной индуктивности 9 через выпрямительный диод 12 подключена к конденсатору фильтра 13. Параллельно конденсатору фильтра 13 включена нагрузка 14.

Принцип действия предлагаемого трансформаторного широкодиапазонного обратноходового преобразователя постоянного напряжения с пассивным клампированием рассмотрим исходя из предположения идеальности ключевых элементов, установившегося режима работы и непрерывности изменения магнитного потока в сердечнике трансформатора 2 и двухобмоточной линейной индуктивности 9. 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 через выпрямительной диод 8, находящийся в проводящем состоянии и накопление энергии в линейной индуктивности 9, определяемой обмоткой 7 трансформатора 2.

После выключения ключа 3 включается диод 5 активного пассивного клампирующего элемента и напряжение на обмотке 1 трансформатора 2 фиксируется на уровне напряжения на конденсаторе 4 равного V_IND/(1-D).

Наличие резистора 6, включенного параллельно конденсатору 4 обеспечивает проводящее состояние диода 5 в течение всего временного интервала (1-D)T выключенного состояния силового регулирующего ключа 3. При этом используемый резистор 6 высокоомный, поскольку магнитопровод трансформатора 2 без зазора и вследствие этого ток намагничивания трансформатора 2 невелик. Высокоомность резистора 6 делает пассивную цепь высокоэффективной поскольку потери мощности в ней незначительны. Из-за отсутствия зазора в сердечнике трансформатора и наличия высокоэффективной клампирующий цепи перемагничивание сердечника трансформатора осуществляется по частично симметричной петле гистерезиса, что позволят уменьшить число витков первичной обмотки трансформатора и сделать трансформатор меньших габаритов.

Вследствие переполюсовки напряжений на всех обмотках трансформатора 2 и фиксации напряжения на первичной обмотке 1 выпрямительный диод 8 выключается, а ток двухобмоточной линейной индуктивности 9 с первичной обмотки 10 переключается на вторичную обмотку 11 и включившийся выпрямительный диод 12, и накопленная в двухобмоточной линейной индуктивности 9 энергия выводится в нагрузку 14. В результате этого процесса на конденсаторе 13 устанавливается выходное напряжение n₁n₂V_IND/(1-D), где n₁ - отношение витков обмотки 7 к обмотке 1, а n₂ - отношение витков обмотки 11 к обмотке 10.

На интервале времени выключенного состояния ключа 3 равного (1-D)T никакой передачи энергии в выходную цепь не осуществляется, а из-за включенного состояния активного клампирующего элемента идет процесс восстановления магнитных свойств трансформатора 2, что приводит к работе магнитопровода трансформатора по частично симметричной петле намагничивания. Поскольку передача энергии в нагрузку идет из специально введенной двухобмоточной линейной индуктивности 9, а не из индуктивности намагничивания трансформатора, как это происходит в обратноходовом преобразователе постоянного напряжения, то никакого зазора в трансформаторе не требуется, так как в данном случае он выполняет функцию только трансформатора, а не накопителя энергии.

Следует заметить, что выпрямительный диод 8 в данном устройстве работает при обратных напряжениях, соизмеримых с напряжением в проводящем состоянии, т.е. доли вольта.

Вследствие того, что трансформатор в данном устройстве не выполняет функции накапливающего энергию элемента, а перемагничивание магнитопровода осуществляется по частично симметричной петле гистерезиса, число витков обмоток трансформатора может быть существенно уменьшено, а следовательно, уменьшен и размер трансформатора, и в тоже время величина накапливающей энергию двухобмоточной линейной индуктивности 9 не зависит от числа витков трансформатора как в обратноходовом преобразователе постоянного напряжения, и может быть выбрана произвольной величины.

Наличие активного клампирующего элемента исключает появление высоковольтного всплеска на силовом регулирующем ключе 3 при его выключении из-за наличия индуктивности рассеяния первичной обмотки 1 трансформатора 2, к которой подключен силовой регулирующий ключ 3.

Таким образом, предлагаемый трансформаторный широкодиапазонный обратноходовой преобразователь постоянного напряжения с пассивным клампированием, по сравнению с известным устройством позволяет формировать постоянное выходное напряжение из постоянного входного напряжения, без зазора в сердечнике трансформатора, обеспечить частичную симметричность перемагничивания магнитопровода трансформатора, уменьшить его размеры, вследствие наличия активного клампирующего элемента, исключить всплески напряжения на силовом ключе при выключении, которое жестко фиксируется на уровне V_IN/(1-D), а использование двухобмоточной линейной индуктивности позволяет расширить диапазон регулирования постоянного выходного напряжения.

1. [Поликарпов А.Г., Сергиенко Е.Ф. Однотактные преобразователи в устройствах электропитания РЭА, “Радио и связь”, 1989, стр. 47 рис. 2.1].

Трансформаторный широкодиапазонный обратноходовой преобразователь постоянного напряжения с пассивным клампированием относится к электротехнике и может быть использован в системах вторичного электропитания для преобразования, регулирования и стабилизации постоянного выходного напряжения, гальванически отделенного от входного постоянного напряжения. Технический результат изобретения - формирование постоянного выходного напряжения из постоянного входного напряжения, исключение зазора из трансформатора, обеспечение частично симметричного перемагничивания сердечника трансформатора и расширение диапазона регулирования выходного постоянного напряжения. 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 подключен к отрицательному полюсу входного источника постоянного напряжения, образующему общую шину. Параллельно первичной обмотке 1 трансформатора 2 включен пассивный клампирующий элемент, составленный из последовательно соединенных диода 5 и конденсатора 4 с параллельно включенным резистором 6. С концом вторичной обмотки 7 трансформатора 2 соединен катод выпрямительного диода 8, анод которого через первичную обмотку 10 двухобмоточной линейной индуктивности 9 подключен к началу вторичной обмотки 7. Вторичная обмотка 11 двухобмоточной линейной индуктивности 9 через выпрямительный диод 12 подключена к конденсатору фильтра 13. Параллельно конденсатору фильтра 13 включена нагрузка 14. 1 ил.

Трансформаторный широкодиапазонный обратноходовой преобразователь постоянного напряжения с пассивным клампированием, содержащий трансформатор, имеющий первичную обмотку, подключенную через силовой регулирующий ключ к выводам источника постоянного входного напряжения, вторичную обмотку с выпрямительным диодом, подключенную к емкостному фильтру с параллельно включенной нагрузкой, отличающийся тем, что параллельно первичной обмотке трансформатора подключен пассивный клампирующий элемент, составленный из последовательно соединенных диода и конденсатора с параллельно включенным резистором, а последовательно со вторичной обмоткой трансформатора через первый выпрямительный диод включена первичная обмотка двухобмоточной линейной индуктивности, вторичная обмотка которой через второй выпрямительный диод подключена к конденсатору фильтра с параллельно включенной нагрузкой.