Повышающий регулятор постоянного тока Российский патент 2024 года по МПК H02M3/156 

Предлагаемое изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано при создании энергоэффективных регулируемых преобразователей постоянного тока. Известен регулируемый повышающий преобразователь постоянного напряжения (Патент №2734101, Российская Федерация, МПК Н02М 3/18 (2006.01), заявка 2020117224 от 26.05.2020, опубл. 13.10.2020 Бюл. №29), содержащий входной, выходной и общий вывод для подключения источника и нагрузки, n параллельно соединенных цепочек, каждая из которых содержит зарядный диод, конденсатор, дроссель и разрядный ключ, двух разрядных диодов, выводы которых подключены между зарядными диодами первой и второй цепочек и двумя конденсаторами, формирующими два уровня напряжения. К конденсаторам подключен двухуровневый регулятор, содержащий ключ, диод, дроссель и сглаживающий конденсатор.

Дискретное регулирование выходного напряжения в преобразователе осуществляется изменением соответствующего числа цепочек, разряжающихся на нагрузку с помощью разрядных ключей. Плавное регулирование выходного напряжения внутри дискретного диапазона осуществляется с помощью коммутации ключа двухуровневого регулятора.

К недостаткам данного регулируемого повышающего преобразователя следует отнести большое количество элементов, а также наличие громоздкого дросселя в составе двухуровневого регулятора, имеющего большие габариты.

Известен повышающий регулятор напряжения для работы с трехфазной нагрузкой (Патент №2806896, Российская Федерация, МПК Н02М 7/537 (2006.01), заявка 2023113602 от 25.05.2023, опубл. 08.11.2023 Бюл. №31), содержащий входной, общий выводы для подключения источника, n цепочек, каждая из которых состоит из зарядного диода, конденсатора, дросселя, (n-1) разрядных ключей, включенных между точкой соединения зарядного ключа и дросселя предыдущей цепочки и точкой соединения зарядного диода и конденсатора последующей цепочки, разрядный ключ, включенный между точкой соединения зарядного ключа и дросселя последней цепочки и входным выводом, два двухуровневых широтно-импульсных регулятора, состоящих из диода и конденсатора, формирующих второй уровень напряжения и двух диодов и конденсаторов, формирующих первый уровень напряжения, два регулирующих ключа, дроссели и сглаживающие конденсаторы, трехфазную нагрузку, подключенную к второму широтно-импульсному регулятору и инвертору из двух стоек. Плавное регулирование напряжения на нагрузке осуществляется изменением относительной длительности открытого состояния ключей двухуровневых широтно-импульсных регуляторов, а также с помощью ключей инвертора. Благодаря малому перепаду напряжения на регулирующем ключе снижаются динамические потери мощности при регулировании. Диапазон регулирования можно расширить путем подключения входов широтно-импульсных регуляторов между точками соединения зарядного диода и конденсатора трех резонансных цепочек.

К недостаткам данного повышающего регулятора можно отнести большие габариты из-за наличия двух широтно-импульсных регуляторов, в каждом из которых используется громоздкий дроссель, а также большое число резонансных цепочек для получения требуемого коэффициента преобразования по напряжению.

Кроме того, известен способ регулирования выходного напряжения повышающего преобразователя постоянного напряжения (Патент №2746272, Российская Федерация, МПК Н02М 3/18 (2006.01), заявка 2020135310 от 28.10.2020, опубл. 12.04.2021 Бюл. №11), содержащий входной, выходной и общий выводы для подключения входного источника и нагрузки, n параллельно соединенных цепочек, каждая из которых состоит из последовательно соединенного зарядного диода, конденсатора, дросселя, зарядного ключа, (n-1) разрядных ключей, каждый из которых включен между точкой соединения дросселя и зарядного ключа предыдущей цепочки и точкой соединения зарядного диода и конденсатора последующей цепочки, разрядный ключ, включенный между точкой соединения дросселя и зарядного ключа последней цепочки и входным выводом источника, разрядный диод, включенный между точкой соединения конденсатора и зарядного ключа первой цепочки и выходным выводом для подключения нагрузки, являющийся прототипом предлагаемого изобретения, заключающийся в дискретном регулировании выходного напряжения путем изменения числа резонансных цепочек, разряжающихся на нагрузку, плавное регулирование выходного напряжения внутри дискретного диапазона осуществляется изменением длительности открытого состояния разрядного ключа последней цепочки, участвующей в процессе преобразования.

Благодаря наличию цепочек, являющихся последовательными колебательными контурами, коммутация зарядных и разрядных ключей осуществляется на резонансной частоте при сохранении мягкой коммутации ключей. Режим жесткой коммутации характерен для разрядного ключа, являющегося регулирующим элементом. Нужно отметить, что для регулирования выходного напряжения не используются дополнительные каскады и устройства.

Недостатком прототипа является большое число резонансных цепочек и коммутирующих ключей для получения требуемого коэффициента преобразования по напряжению: для требуется (n-1) резонансных цепочек.

Задачей (техническим результатом) является увеличение коэффициента преобразования по напряжению больше 2 при меньшем числе элементов и наличии одной резонансной цепочки с возможностью плавного регулирования выходного напряжения в широком диапазоне.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в повышающий регулятор постоянного тока, содержащий входной, выходной и общий выводы для подключения источника постоянного тока и нагрузки соответственно, одну цепочку, состоящую из последовательно соединенных зарядного диода, конденсатора, дросселя и зарядного ключа, подключенную между входным и общим выводом, разрядный ключ, включенный между точкой соединения дросселя и зарядного ключа цепочки и входным выводом, разрядный диод, включенный между точкой соединения зарядного диода и конденсатора цепочки и выходным выводом, введен дополнительный ключ, подключенный между точкой соединения зарядного диода, разрядного диода, конденсатора цепочки и точкой соединения зарядного ключа, разрядного ключа и дросселя цепочки, плавное уменьшение (увеличение) выходного напряжения осуществляется изменением относительной длительности открытого состояния дополнительного ключа и разрядного ключа при их последовательной коммутации, получение выходного напряжения, больше значения удвоенного входного напряжения при наличии только одной резонансной цепочки и плавное регулирование выходного напряжения.

На Фиг. 1 представлена электрическая схема повышающего регулятора постоянного тока,

На Фиг. 2 представлены осциллограммы токов и напряжений элементов, поясняющие принцип работы регулятора, на Фиг. 3 показана регулировочная характеристика.

Предлагаемое устройство (Фиг. 1) состоит из зарядного диода 1, конденсатора 2, дросселя 3, зарядного ключа 4, дополнительного ключа 5, разрядного ключа 6, разрядного диода 7, входного вывода 8, общего вывода 9 для подключения источника, выходного вывода 10, общего вывода 11 для подключения нагрузки, нагрузки 12, выходного конденсатора 13, входного источника постоянного тока 14.

Предлагаемое устройство (Фиг. 1) содержит цепочку, состоящую из последовательно соединенного зарядного диода 1, конденсатора 2, дросселя 3, зарядного ключа 4. Цепочка включена между входным выводом 8 и общим выводом 9. К выводам 8, 9 подключен входной источник постоянного тока 14. Между точкой соединения зарядного ключа 4, дросселя 3 и входным выводом 8 включен разрядный ключ 6. Дополнительный ключ 5 включен между точкой соединения зарядного диода 1, конденсатора 2, разрядного диода 7 и точкой соединения зарядного ключа 4, разрядного ключа 6 и дросселя 3. Разрядный диод 7 включен между точкой соединения зарядного диода 1, конденсатора 2, дополнительного ключа 5 и выходным выводом 10. К выходному выводу 10 и общему выводу 11 параллельно подключены нагрузка 12, представляющая собой активное сопротивление, и сглаживающий конденсатор 13.

Предлагаемый регулятор работает следующим образом. В начальный момент времени при подаче управляющих импульсов открывается зарядный ключ 4 и через открывшийся зарядный диод 1 осуществляется резонансный заряд конденсатора 2 от входного источника 14 до напряжения Е1, ток через диод 1 и зарядный ключ 4 имеет кусочно-синусоидальную форму. Параметры конденсатора 2 и дросселя 3 выбраны таким образом, что частота управляющих импульсов, поступающих на ключи, равна резонансной частоте колебательного контура, образованного конденсатором 2 и дросселем 3. После закрытия зарядного ключа 4 в момент θ=180 градусов, открывается разрядный ключ 6 и заряженный конденсатор 2 через дроссель 3, разрядный ключ 6, соединяется последовательно с входным источником 14. Через открывшийся разрядный диод 7 к нагрузке прикладывается напряжение, равное сумме напряжения Е1 и напряжения на обкладках конденсатора 2. Таким образом, к нагрузке прикладывается напряжение 2·Е1. Благодаря тому, что зарядный ключ 4 и разрядный ключ 6 коммутируются в моменты времени, когда ток через них равен нулю, то в них отсутствуют динамические потери мощности. Управляющие импульсы, поступающие на ключи 4 и 6, сдвинуты друг относительно друга на 180 градусов, их коммутация осуществляется в противофазе. Угол 180 градусов соответствует моменту времени, равному половине периода управляющего импульса, угол 360 градусов соответствует периоду управляющих импульсов , где - циклическая частота.

Для получения на нагрузке напряжения, превышающего значение 2·Е1, а также его регулирования, в работу вступает дополнительный ключ 5. В этом случае ключи работают следующим образом, как проиллюстрировано на Фиг. 2. В начальный момент открывается ключ 4 и осуществляется резонансный заряд конденсатора 2. К моменту окончания управляющего импульса при θ=180°, ток в цепи заряда уменьшается до нуля, управляющий импульс с ключа 4 снимается, и он закрывается. В момент θ=180° включается дополнительный ключ 5. Часть энергии заряженного конденсатора 2 передается дросселю 3. Ключ 5 находится в открытом состоянии в интервале от 180 до (180+γ) градусов, где (- угол управления дополнительного ключа 5 (относительная длительность открытого состояния дополнительного ключа 5). В момент θ=(180°+γ) дополнительный ключ 5 выключается и включается разрядный ключ 6. Из-за того, что цепь дросселя 3 размыкается, то на его выводах возникает напряжение самоиндукции: положительный потенциал на верхнем выводе и отрицательный потенциал на нижнем. В зависимости от угла γ значение напряжения самоиндукции на дросселе 3 изменяется. Напряжение входного источника 14 через открытый ключ 6 складывается с напряжением самоиндукции на дросселе 3, а также с напряжением заряженного конденсатора 2 и через открывшийся диод 7 суммарное напряжение поступает на вывод 10 и прикладывается к нагрузке. Таким образом, к нагрузке прикладывается напряжение, превышающее значение 2·Е1. Энергетическая эффективность такого преобразователя обеспечивается режимом мягкой коммутации зарядного ключа 4, а именно его переключением в моменты времени, когда ток через него равен нулю. Ключ 6 включается в момент θ=(180°+γ), когда напряжение на нем равно нулю. Управляющий импульс с ключа 6 снимается при θ=360 градусов. Напряжение на ключах 4 и 6 не превышает напряжения входного источника Е1. Для ключа 5 режим мягкой коммутации сохраняется при включении.

На Фиг. 3 приведена регулировочная характеристика преобразователя, представляющая собой зависимость коэффициента преобразования от угла управления γ дополнительно ключа 5, полученная методом имитационного моделирования в программном пакете PSIM при входном напряжении Е1=24 В и сопротивлении нагрузки 5 Ом.

Таким образом, предложенный повышающий преобразователь обеспечивает коэффициент преобразования по напряжению больше 2 при меньшем числе элементов и наличии одной резонансной цепочки с возможностью плавного регулирования выходного напряжения в широком диапазоне.

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано при создании энергоэффективных регулируемых преобразователей постоянного тока. Техническим результатом заявленного изобретения является увеличение коэффициента преобразования по напряжению больше 2 при меньшем числе элементов и наличии одной резонансной цепочки с возможностью плавного регулирования выходного напряжения в широком диапазоне. Устройство содержит входной, выходной и общий выводы для подключения источника постоянного тока и нагрузки соответственно, одну цепочку, состоящую из последовательно соединенных зарядного диода, конденсатора, дросселя и зарядного ключа, подключенную между входным и общим выводом, разрядный ключ, включенный между точкой соединения дросселя и зарядного ключа цепочки и входным выводом, разрядный диод, включенный между точкой соединения зарядного диода и конденсатора цепочки и выходным выводом. Введен дополнительный ключ, подключенный между точкой соединения зарядного диода, разрядного диода, конденсатора цепочки и точкой соединения зарядного ключа, разрядного ключа и дросселя цепочки, плавное уменьшение (увеличение) выходного напряжения осуществляется изменением относительной длительности открытого состояния дополнительного ключа и разрядного ключа при их последовательной коммутации, получение выходного напряжения больше значения удвоенного входного напряжения при наличии только одной резонансной цепочки и плавное регулирование выходного напряжения. 3 ил.

Повышающий регулятор постоянного тока, содержащий входной, выходной и общий выводы для подключения источника постоянного тока и нагрузки соответственно, одну цепочку, состоящую из последовательно соединённых зарядного диода, конденсатора, дросселя и зарядного ключа, подключенную между входным и общим выводом, разрядный ключ, включённый между точкой соединения дросселя и зарядного ключа цепочки и входным выводом, разрядный диод, включённый между точкой соединения зарядного диода и конденсатора цепочки и выходным выводом, отличающийся тем, что в него введён дополнительный ключ, подключённый между точкой соединения зарядного диода, разрядного диода, конденсатора цепочки и точкой соединения зарядного ключа, разрядного ключа и дросселя цепочки, плавное изменение величины выходного напряжения осуществляется изменением относительной длительности открытого состояния дополнительного ключа и разрядного ключа при их последовательной коммутации, при этом обеспечивается получение значения выходного напряжения большего, чем удвоенное входное напряжение при наличии только одной резонансной цепочки, и плавное регулирование выходного напряжения.