Трансформаторный широкодиапазонный обратноходовой преобразователь постоянного напряжения с активным 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 являются отсутствие возможности включения силового ключа на нулевое значение тока, что приводит к увеличению динамических потерь в силовом ключе при его включении, 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 активным клампированием.

На фиг.2 показана принципиальная электрическая схема выполнения предлагаемого трансформаторного широкодиапазонного обратноходового преобразователя постоянного напряжения с активным клампированием с дополнительно введенной линейной индуктивностью.

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, реализованный в виде полевого транзистора MOSFET, подключен к отрицательному полюсу входного источника постоянного напряжения образующему общую шину. Параллельно первичной обмотке 1 трансформатора 2 включен активный клампирующий элемент, составленный из последовательно соединенных конденсатора 4 и дополнительного ключа 5, реализованного в виде полевого транзистора MOSFET.

С концом вторичной обмотки 6 трансформатора 2 соединен катод выпрямительного диода 7, анод которого через первичную обмотку 9 двухобмоточной линейной индуктивности 8 подключен к началу вторичной обмотки 6. Вторичная обмотка 10 двухобмоточной линейной индуктивности 8 через выпрямительный диод 11 подключена к конденсатору фильтра 12. Параллельно конденсатору фильтра 12 включена нагрузка 13. Управляющие электроды ключей 3, 5 подключены к широтно-импульсному контроллеру 14.

Принцип действия предлагаемого трансформаторного широкодиапазонного обратноходового преобразователя постоянного напряжения с активным клампированием рассмотрим исходя из предположения идеальности ключевых элементов, установившегося режима работы и непрерывности изменения магнитного потока в сердечнике трансформатора 2 и двухобмоточной линейной индуктивности 8. 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 7, находящийся в проводящем состоянии и накопление энергии в линейной индуктивности 8, определяемой обмоткой 6 трансформатора 2.

После выключения ключа 3 включается дополнительный ключ 5 активного клампирующего элемента и напряжение на обмотке 1 трансформатора 2 фиксируется на уровне напряжения на конденсаторе 4 равного V_IND/(1-D). Вследствие переполюсовки напряжений на всех обмотках трансформатора 2 и фиксации напряжения на первичной обмотке 1 выпрямительный диод 7 выключается, а ток двухобмоточной линейной индуктивности 8 с первичной обмотки 9 переключается на вторичную обмотку 10 и включившийся выпрямительный диод 11, и накопленная в двухобмоточной линейной индуктивности 8 энергия выводится в нагрузку 13. В результате этого процесса на конденсаторе 12 устанавливается выходное напряжение n₁n₂V_IND/(1-D), где n₁ - отношение витков обмотки 6 к обмотке 1, а n₂ - отношение витков обмотки 10 к обмотке 9.

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 симметричной петле намагничивания. Поскольку передача энергии в нагрузку идет из специально введенной двухобмоточной линейной индуктивности 8, 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 7 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 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 8 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.

Включение линейной индуктивности последовательно с первичной или вторичной обмоткой трансформатора 2 позволяет сформировать включение силового регулирующего ключа 3 на нулевой ток, что исключает динамические потери при его включении. На фиг.2 показан вариант включения такой линейной индуктивности 15 последовательно с вторичной обмоткой 6 трансформатора 2.

Таким образом, предлагаемый трансформаторный широкодиапазонный обратноходовой преобразователь постоянного напряжения с активным клампированием, по сравнению с известным устройством позволяет формировать постоянное выходное напряжение из постоянного входного напряжения с уменьшением динамических потерь, обеспечивая возможность включения силового ключа на нулевое значение тока и, как следствие, уменьшение динамических потерь в силовом ключе при его включении; позволяет исключить зазор в сердечнике трансформатора, обеспечить 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 активным 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, и уменьшения динамических потерь. Цель изобретения - формирование постоянного выходного напряжения из постоянного входного напряжения, исключение зазора из трансформатора, обеспечение симметричного перемагничивания сердечника трансформатора, уменьшение динамических потерь 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, реализованный в виде полевого транзистора MOSFET, подключен к отрицательному полюсу входного источника постоянного напряжения, образующему общую шину. Параллельно первичной обмотке 1 трансформатора 2 включен активный клампирующий элемент, составленный из последовательно соединенных конденсатора 4 и дополнительного ключа 5, реализованного в виде полевого транзистора MOSFET. С концом вторичной обмотки 6 трансформатора 2 соединен катод выпрямительного диода 7, анод которого через первичную обмотку 9 двухобмоточной линейной индуктивности 8 подключен к началу вторичной обмотки 6. Вторичная обмотка 10 двухобмоточной линейной индуктивности 8 через выпрямительный диод 11 подключена к конденсатору фильтра 12. Параллельно конденсатору фильтра 12 включена нагрузка 13. Управляющие электроды ключей 3, 5 подключены к широтно-импульсному контроллеру 14. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Трансформаторный широкодиапазонный обратноходовой преобразователь постоянного напряжения с активным 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 активный клампирующий элемент, составленный из последовательно соединенных конденсатора и дополнительного ключа, выполненного на полевом транзисторе, 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.

2. Трансформаторный широкодиапазонный обратноходовой преобразователь постоянного напряжения с активным клампированием по п.1, отличающийся тем, что последовательно со вторичной обмоткой трансформатора включена линейная индуктивность.