Прямоходовой преобразователь постоянного напряжения с передачей энергии в импульсе 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 прямоходовые преобразователи постоянного напряжения [1].

Недостатками известного прямоходового преобразователя постоянного напряжения являются сложность выходной цепи, включающей две вторичные обмотки, два выпрямительных диода, Г-образный LC-фильтр, отсутствие режима включения силового регулирующего ключа на нулевой ток, что вызывает динамические потери в силовом ключе при его включении.

Наиболее близок по технической сущности к предлагаемому устройству прямоходовой преобразователь постоянного напряжения приведенный в [1], содержащий первичную обмотку трансформатора, подключённую через силовой регулирующий ключ к зажимам входного источника постоянного напряжения, клампирующий элемент, составленный из дополнительного ключа с последовательно включенным конденсатором, включенный параллельно первичной обмотке, трансформатор, осуществляющий электрическую развязку и получение требуемого уровня постоянного выходного напряжения, две вторичные обмотки, подключенные через выпрямительный диод ко входу Г-образного LC-фильтра, к выходу которого подключена нагрузка.

Цель изобретения - формирование постоянного выходного напряжения из постоянного входного напряжения, исключение сглаживающего Г-образного LC-фильтра и уменьшение динамических потерь.

Поставленная цель достигается тем, что в прямоходовом преобразователе постоянного напряжения с передачей энергии в импульсе, первичная обмотка трансформатора которого с последовательно включенным конденсатором через первый силовой регулирующий ключ подключена к зажимам входного источника постоянного напряжения, параллельно которой включен второй силовой регулирующий ключ, а вторичная обмотка трансформатора через выпрямительный диод подключена к конденсатору фильтра, параллельно которому включена нагрузка.

На фиг. 1 показана принципиальная электрическая схема выполнения предлагаемого прямоходового преобразователя постоянного напряжения с передачей энергии в импульсе.

В нем (фиг. 1) начало первичной обмотки 1 трансформатора 2 соединено с положительным полюсом входного источника постоянного напряжения, а конец первичной обмотки 1 через последовательно включенный конденсатор 3 и через первый силовой регулирующий ключ 4, подключен к отрицательному полюсу входного источника постоянного напряжения, образующему общую шину. Параллельно первичной обмотке 1 трансформатора 2 с последовательно включенным конденсатором 3 включен второй силовой регулирующий ключ 5. С началом вторичной обмотки 6 трансформатора 2 соединен анод выпрямительного диода 7, катод которого подключен к одному из выводов конденсатора 8, второй вывод которого подключен к концу обмотки 6. Параллельно конденсатору 8 включена нагрузка 9.

Принцип действия предлагаемого прямоходового преобразователя постоянного напряжения с передачей энергии в импульсе рассмотрим исходя из предположения идеальности ключевых элементов, установившегося режима работы и непрерывности изменения магнитного потока в сердечнике трансформатора 2. Обозначим через D относительную к периоду T длительность включенного состояния ключа 4. В этом случае на этапе замкнутого состояния DT ключа 4 происходит накопление энергии в индуктивности намагничивания, определяемой обмоткой 1 трансформатора 2, заряд конденсатора 3 и передача энергии в выходную цепь через вторичную обмотку 6 выпрямительный диод 7.

После выключения первого силового регулирующего ключа 4 включается второй силовой регулирующий ключ 5, остающийся в проводящем состоянии в течение времени (1-D)T и напряжение на обмотке 1 трансформатора 2 фиксируется на уровне напряжения на конденсаторе 3 равного V_IND, обусловленного балансом значений вольт-секундных площадей на первичной обмотке 1 в течение DT и (1-D)T.

Поскольку передача энергии в нагрузку осуществляется в импульсе при включенном первом регулирующем ключе 4, то на первичной обмотке 1 действует напряжение V_IN(1-D) и, следовательно, на нагрузке устанавливается выходное напряжение nV_IN(1-D), где n-отношение витков вторичной обмотки 6 к первичной обмотке 1, а через выпрямительный диод 7 течет ток I_L/D, где I_L - ток нагрузки. В результате этого процесса конденсатор 3 разряжается.

При передаче энергии в нагрузку в импульсе намагничивание трансформатора одновременно идет и по первичной обмотке 1 от напряжения V_IN(1-D), и по вторичной обмотке 6 от выходного напряжения nV_IN(1-D), что приводит к уменьшению тока через выпрямительный диод 7 и компенсации нарастающего тока по обмотке 6, вследствие чего через первый регулирующий ключ 4 протекает не трапецеидальный, а прямоугольной формы ток, что уменьшает статические потери и потери при выключении регулирующего ключа 4. Поскольку катод выпрямительного диода 7 имеет положительный потенциал, равный выходному напряжению, то при включении первого регулирующего ключа 4 возникает задержка передачи энергии в выходную цепь, вследствие чего происходит разнесение фронтов тока и напряжения на регулирующем ключе 4 и уменьшение динамических потерь при включении ключа.

Таким образом, предлагаемый прямоходовой преобразователь постоянного напряжения с передачей энергии в импульсе, по сравнению с известным устройством позволяет формировать постоянное выходное напряжение из постоянного входного напряжения с уменьшением динамических потерь, обеспечивая возможность включения силового регулирующего ключа на нулевое значение тока и, как следствие, уменьшение динамических потерь в силовых регулирующих ключах при их включении, а также исключить тяжелый и дорогой Г-образный LC-фильтр.

1. [Поликарпов А.Г., Сергиенко Е.Ф. Однотактные преобразователи в устройствах электропитания РЭА, “Радио и связь”, 1989, стр. 69 рис. 3.8].

Прямоходовой преобразователь постоянного напряжения с передачей энергии в импульсе 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 и уменьшения динамических потерь. Технический результат - формирование постоянного выходного напряжения из постоянного входного напряжения, исключение сглаживающего Г-образного LC-фильтра и уменьшение динамических потерь. Устройство содержит трансформатор 2, начало первичной обмотки 1 которого соединено с положительным полюсом входного источника постоянного напряжения, а конец первичной обмотки 1 через последовательно включенный конденсатор 3 и через первый силовой регулирующий ключ 4 подключен к отрицательному полюсу входного источника постоянного напряжения, образующему общую шину. Параллельно первичной обмотке 1 трансформатора 2 с последовательно включенным конденсатором 3 включен второй силовой регулирующий ключ 5. С началом вторичной обмотки 6 трансформатора 2 соединен анод выпрямительного диода 7, катод которого подключен к одному из выводов конденсатора 8, второй вывод которого подключен к концу обмотки 6. Параллельно конденсатору 8 включена нагрузка 9. 1 ил.

Прямоходовой преобразователь постоянного напряжения с передачей энергии в импульсе, содержащий трансформатор, имеющий первичную обмотку, подключенную через первый силовой регулирующий ключ к выводам источника постоянного входного напряжения, второй ключ и конденсатор, вторичную обмотку трансформатора и выпрямительный диод, при этом конец первичной обмотки трансформатора подключен к точке соединения первого силового регулирующего ключа и второго ключа, а начало вторичной обмотки трансформатора подключено к выпрямительному диоду, отличающийся тем, что конденсатор включен последовательно с первичной обмоткой трансформатора, параллельно цепи из последовательно включенных конденсатора и первичной обмотки трансформатора включен второй силовой регулирующий ключ, а начало вторичной обмотки трансформатора через выпрямительный диод подключено к конденсатору С-фильтра, параллельно которому включена нагрузка.