Трансформаторный 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.

Известны обратноходовые преобразователи постоянного напряжения [1].

Недостатками известного обратноходового преобразователя постоянного напряжения являются 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 обратноходовом преобразователе постоянного напряжения с пассивным клампированием, первичная обмотка трансформатора которого через силовой регулирующий ключ подключена к зажимам входного источника постоянного напряжения, параллельно которой включен клампирующий элемент, вторичная обмотка трансформатора через выпрямительный диод подключена к линейной индуктивности, а через второй выпрямительный диод подключена к конденсатору фильтра, параллельно которому включена нагрузка.

На фиг.1 показана принципиальная электрическая схема выполнения предлагаемого трансформаторного 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 линейную индуктивность 9 подключен к началу вторичной обмотки 7, а к общей точке соединения диода 8 и линейной индуктивности 9 подключен анод диода 10, катод которого соединен с одним из выводов конденсатора фильтра 11, второй вывод которого подключен к началу обмотки 7. Параллельно конденсатору фильтра 11 включена нагрузка 12.

Принцип действия предлагаемого трансформаторного 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 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 дополнительный диод 5 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 линейной индуктивности 9 переключается на включившийся выпрямительный диод 10 и накопленная энергия в линейной индуктивности 9 выводится в нагрузку. В результате этого процесса на конденсаторе фильтра 11 устанавливается выходное напряжение nV_IND /(1-D), где n - отношение витков обмотки 7 к обмотке 1.

На интервале времени выключенного состояния ключа 3, равного (1-D)T, никакой передачи энергии в выходную цепь не осуществляется, а из-за включенного состояния 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 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 индуктивности 9 не зависит от числа витков трансформатора как в обратноходовом преобразователе постоянного напряжения и может быть выбрана сколь угодно большой величины.

Наличие пассивного 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 обратноходовой преобразователь постоянного напряжения с пассивным клампированием по сравнению с известным устройством позволяет формировать постоянное выходное напряжение из постоянного входного напряжения, позволяет исключить зазор в сердечнике трансформатора, обеспечить частичную симметричность перемагничивания магнитопровода трансформатора, уменьшить его размеры, а вследствие наличия клампирующего элемента исключить всплески напряжения на силовом ключе при выключении, которое жестко фиксируется на уровне V_IN /(1-D).

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

Трансформаторный 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 - формирование постоянного выходного напряжения из постоянного входного напряжения, исключение зазора из трансформатора, обеспечение частично симметричного перемагничивания сердечника трансформатора. 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 линейную индуктивность 9 подключен к началу вторичной обмотки 7, а к общей точке соединения диода 8 и линейной индуктивности 9 подключен анод диода 10, катод которого соединен с одним из выводов конденсатора 11, второй вывод которого подключен к началу обмотки 7. Параллельно конденсатору 11 включена нагрузка 12. 1 ил.

Трансформаторный 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, с концом вторичной обмотки трансформатора и конденсатором фильтра включены последовательно два встречно включенных анодами выпрямительных диода, к анодам которых одним полюсом включена линейная индуктивность, второй полюс которой включен к общей точке соединения начала вторичной обмотки и конденсатора фильтра с параллельно включенной нагрузкой.