Магнитносвязанный однотактный преобразователь постоянного напряжения 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 магнитносвязанные однотактные преобразователи постоянного напряжения [1].

Недостатками известного магнитносвязанного однотактного преобразователя постоянного напряжения является невозможность уменьшения статических и динамических потерь.

Наиболее близок по технической сущности к предлагаемому устройству магнитносвязанный однотактный преобразователь постоянного напряжения [1], содержащий трансформатор, первичную обмотку, подключенную через силовой регулирующий ключ к зажимам входного источника постоянного напряжения, трансформатор, осуществляющий электрическую развязку и получение требуемого уровня постоянного выходного напряжения, две магнитносвязанные вторичные обмотки, к одной из которых к началу и к концу подключены два конденсатора, вторые полюсы которых через два выпрямительных диода связаны с началом и концом этой обмотки, а через вторую вторичную обмотку эта цепь подключена к конденсатору фильтра с параллельно включенной нагрузкой.

Цель изобретения - формирование постоянного выходного напряжения из постоянного входного напряжения, уменьшение статических и динамических потерь.

Поставленная цель достигается тем, что в магнитносвязанном однотактном преобразователе постоянного напряжения к второй вторичной обмотке в известном устройстве, к началу и концу подключены конденсаторы, вторые полюсы которых через два выпрямительных диода соединены с началом и концом этой вторичной обмотки, и вновь введенное соединение объединено в последовательное соединение с ранее существовавшим соединением, параллельно которому включен конденсатор фильтра с параллельно включенной нагрузкой.

На фиг.1 и 2 показаны принципиальные электрические схемы вариантов выполнения предлагаемого магнитносвязанного однотактного преобразователя постоянного напряжения. На фиг.1 показана принципиальная электрическая схема выполнения предлагаемого магнитносвязанного однотактного преобразователя постоянного напряжения. На фиг.2 показана принципиальная электрическая схема выполнения предлагаемого магнитносвязанного однотактного преобразователя постоянного напряжения с линейной индуктивностью, включенной между конденсаторами фильтра с параллельно включенной нагрузкой и двумя последовательно включенными цепями.

В нем (фиг.1) начало первичной обмотки 1 трансформатора 2 соединено с положительным полюсом входного источника постоянного напряжения, а конец первичной обмотки 1 подключен через силовой регулирующий ключ 3 к отрицательному полюсу входного источника постоянного напряжения, образующему общую шину.

С началом первой вторичной обмотки 4 соединен анод первого выпрямительного диода 5, катод которого подключен к первому выводу конденсатора 6, второй вывод которого подключен к концу вторичной обмотки 4. Катод второго выпрямительного диода 7 подключен к концу вторичной обмотки 4 трансформатора 2, а анод к первому выводу второго конденсатора 8, второй вывод которого подключен к началу вторичной обмотки 4.

С концом второй вторичной обмотки 9 соединен анод третьего диода 10, катод которого подключен к первому выводу конденсатора 11, второй вывод которого подключен к началу вторичной обмотки 9. Катод четвертого выпрямительного диода 12 подключен к началу обмотки 9 трансформатора 2, а анод к первому выводу конденсатора 13, второй вывод которого подключен к концу обмотки 9. Общая точка соединения диода 7 и конденсатора 8 подключена к общей точке соединения диода 10 и конденсатора 11, а между общими точками соединения диода 5 и конденсатора 6, диода 12 и конденсатора 13, подключен конденсатор фильтра 14 с параллельно включенной нагрузкой 15.

Принцип действия предлагаемого магнитносвязанного однотактного преобразователя постоянного 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 3. В этом случае на этапе замкнутого состояния DT ключа 3 происходит одновременно протекание нескольких процессов: намагничивание сердечника трансформатора 2 по первой первичной обмотке 1 через силовой регулирующий ключ 3 от источника входного постоянного напряжения и передача энергии в нагрузку по первой вторичной обмотке 4, по которой с помощью конденсаторов 6,8 и выпрямительных диодов 5,7 осуществляется удвоение трансформируемого во вторичную цепь постоянного входного напряжения, в результате чего на каждом из конденсаторов 6,8 устанавливается постоянное напряжение nV_IN, где n - отношение числа витков 4 к 1.

После выключения силового регулирующего ключа 3, накопленная энергия в индуктивности намагничивания трансформатора 2, трансформируется через вторую вторичную обмотку 9 в конденсаторы 11, 13 через выпрямительные диоды 10, 12, вследствие чего происходит восстановление магнитных свойств трансформатора 2 и установление напряжений на конденсаторах 11, 13 на уровне nV_IND/(1-D), где n - отношение числа витков 9 к 1, т.е. происходит удвоение напряжений на конденсаторах 11, 13. Число витков двух вторичных обмоток 4, 9 выбирается равным.

С учетом последовательного соединения двух вторичных цепей таким образом, что общие точки соединения конденсатора 8 и выпрямительного диода 7 и конденсатора 11 и выпрямительного диода 10 объединены в общую точку соединения, образуется последовательная цепь, в которой вторая вторичная обмотка 9 выполняет не только функцию восстановления магнитных свойств трансформатора 2, но и функцию компенсации переменной составляющей первой вторичной обмотки 4, поскольку по отношению к ней включена встречно, а на интервале времени (1-D)T восстановления магнитных свойств трансформатора уже первая вторичная обмотка 4 выполняет функцию компенсации переменной составляющей второй вторичной обмотки 9. В результате на последовательно включенной цепи устанавливается постоянное напряжение, равное сумме постоянных напряжений на конденсаторах 6, 8, 11, 13, равное 2nV_IN/(1-D). Параллельно этой цепи включен конденсатор фильтра 14 с параллельно включенной нагрузкой 15.

Особенностью данного магнитносвязанного однотактного преобразователя постоянного напряжения является то, что намагничивание трансформатора идет как по первичной обмотке 1 трансформатора 2 от источника постоянного входного напряжения, так и по первой вторичной обмотке 4 трансформатора 2 от напряжений на конденсаторах 6, 8, ток намагничивания которой направлен встречно прямым токам через диоды 5, 7, т.е. уменьшая их и тем самым компенсируя нарастающий ток намагничивания по первичной обмотке трансформатора 2, и, как следствие этого процесса, через силовой регулирующий ключ 3 течет не трапецеидальный ток, имеющий место в известном устройстве, а прямоугольный, приводящий к уменьшению статических потерь в регулирующем ключе.

При включении силового регулирующего ключа 3 одновременная передача энергии в нагрузку невозможна, поскольку катоды выпрямительных диодов 5, 7 имеют положительные потенциалы, равные напряжениям на конденсаторах 6, 8, что приводит к разнесению фронтов тока и напряжения и уменьшению динамических потерь при включении силового регулирующего ключа. Аналогичные процессы протекают при выключении силового регулирующего ключа, поскольку положительные потенциалы на катодах диодов 5, 7 отключают нагрузку, что приводит к разнесению фронтов тока и напряжения на силовом регулирующем ключе и уменьшению динамических потерь при выключении силового регулирующего ключа.

Заметим, что цепь, составленная из последовательно соединенных первичных обмоток 4, 9 и конденсаторов 6, 8, 11, 13, образует магнитносвязанную цепь, дающую возможность воздействовать на эффективную индуктивность для переменной составляющей и практически исключить пульсации напряжения на нагрузке путем включения линейной индуктивности 16 между конденсатором фильтра 14 и общей точкой соединения выпрямительного диода 5 и конденсатора 6, что показано на фиг.2.

Таким образом, предлагаемый магнитносвязанный однотактный преобразователь постоянного напряжения по сравнению с известным устройством позволяет уменьшить статические и динамические потери в силовом регулирующем ключе.

Список источников

1. Поликарпов А.Г., Сергиенко Е.Ф. Однотактные преобразователи в устройствах электропитания РЭА, “Радио и связь”, 1989, стр. 99, рис. 3.28.

Магнитносвязанный однотактный преобразователь постоянного напряжения относится к электротехнике и может быть использован для преобразования, регулирования и стабилизации постоянного выходного напряжения, гальванически отделенного от входного постоянного напряжения. Технический результат - формирование постоянного выходного напряжения из постоянного входного напряжения, уменьшение статических и динамических потерь. Устройство содержит трансформатор 2, начало первичной обмотки 1 которого соединено с положительным полюсом входного источника постоянного напряжения, а конец первичной обмотки 1 подключен через силовой регулирующий ключ 3 к отрицательному полюсу входного источника постоянного напряжения, образующему общую шину. С началом первой вторичной обмотки 4 соединен анод первого выпрямительного диода 5, катод которого подключен к первому выводу конденсатора 6, второй вывод которого подключен к концу вторичной обмотки 4. Катод второго выпрямительного диода 7 подключен к концу вторичной обмотки 4 трансформатора 2, а анод к первому выводу второго конденсатора 8, второй вывод которого подключен к началу вторичной обмотки 4. С концом второй вторичной обмотки 9 соединен анод третьего диода 10, катод которого подключен к первому выводу конденсатора 11, второй вывод которого подключен к началу вторичной обмотки 9. Катод четвертого выпрямительного диода 12 подключен к началу обмотки 9 трансформатора 2, а анод - к первому выводу конденсатора 13, второй вывод которого подключен к концу обмотки 9. Общая точка соединения диода 7 и конденсатора 8 подключена к общей точке соединения диода 10 и конденсатора 11, а между общими точками соединения диода 5 и конденсатора 6, диода 12 и конденсатора 13 подключен конденсатор фильтра 14 с параллельно включенной нагрузкой 15. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Магнитносвязанный однотактный преобразователь постоянного напряжения, содержащий трансформатор, имеющий первичную обмотку, подключенную через силовой регулирующий ключ к выводам источника постоянного напряжения, две вторичные обмотки, к началу и концу второй вторичной обмотки подключены первыми полюсами два конденсатора, второй полюс первого конденсатора подключен к катоду первого выпрямительного диода, анод которого подключен к концу второй вторичной обмотки, а второй полюс второго конденсатора подключен к аноду второго выпрямительного диода, катод которого подключен к началу второй вторичной обмотки, при этом между первым и вторым конденсаторами включена встречно второй вторичной обмотке первая вторичная обмотка с равным числом витков второй вторичной обмотке с последовательно включенным конденсатором фильтра, параллельно которому включена нагрузка, отличающийся тем, что к началу и концу первой вторичной обмотки подключены первыми полюсами два конденсатора, второй полюс третьего конденсатора подключен к катоду третьего выпрямительного диода, анод которого подключен к началу первой вторичной обмотки, а второй полюс четвертого конденсатора подключен к аноду четвертого выпрямительного диода, катод которого подключен к концу первой вторичной обмотки, параллельно двум цепям, известной и вновь введенной, включен конденсатор фильтра с параллельно включенной нагрузкой.

2. Магнитносвязанный однотактный преобразователь постоянного напряжения по п.1, отличающийся тем, что между двумя цепями, известной и вновь введенной, и конденсатором фильтра с параллельно включенной нагрузкой включена линейная индуктивность.