Магнитносвязанный однотактный преобразователь постоянного напряжения с удвоением напряжения на нагрузке 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 однотактные преобразователи постоянного напряжения с прямой и обратной передачей энергии в нагрузку [1].

Недостатками известного однотактного преобразователя постоянного напряжения является наличие тяжелого дорогого Г-образного сглаживающего LC-фильтра, формирующего однозначную регулирующую характеристику и невозможность уменьшения статических и динамических потерь.

Наиболее близок по технической сущности к предлагаемому устройству однотактный преобразователь постоянного напряжения [1], содержащий трансформатор, две первичные обмотки, подключенные через два конденсатора диод и силовой регулирующий ключ к зажимам входного источника постоянного напряжения, трансформатор, осуществляющий электрическую развязку и получение требуемого уровня постоянного выходного напряжения, две вторичные обмотки, подключенные через два выпрямительных диода ко входу Г-образного LC-фильтра, к выходу которого подключена нагрузка.

Цель изобретения - формирование постоянного выходного напряжения из постоянного входного напряжения с удвоением напряжения на нагрузке, исключение Г-образного сглаживающего LC-фильтра, к которому подключена нагрузка, уменьшение статических и динамических потерь.

Поставленная цель достигается тем, что в магнитносвязанном однотактном преобразователе постоянного напряжения с удвоением напряжения на нагрузке первая первичная обмотка через диод и первый конденсатор подключена к зажимам входного источника постоянного напряжения, вторая первичная обмотка через силовой регулирующий ключ подключена параллельно первому конденсатору, первая и вторая первичная обмотки связаны между собой через второй конденсатор, при этом к началу и концу первой вторичной обмотки, выполняющей функцию передачи энергии в нагрузку, последовательно своими первыми полюсами включены конденсаторы, которые вторыми полюсами через два выпрямительных диода включены к началу и концу первой вторичной обмотки, а между двумя конденсаторами включена встречно первой первичной обмотке вторая равная ей по числу витков вторичная обмотка, выполняющая функцию компенсации переменой составляющей последовательно с конденсатором фильтра, параллельно которому включена нагрузка.

На фиг.1, 2 и 3 показаны принципиальные электрические схемы вариантов выполнения предлагаемого магнитносвязанного однотактного преобразователя постоянного напряжения с удвоением напряжения на нагрузке. На фиг.1 показана принципиальная электрическая схема выполнения предлагаемого магнитносвязанного однотактного преобразователя постоянного напряжения с удвоением напряжения на нагрузке. На фиг.2 показана принципиальная электрическая схема выполнения предлагаемого магнитносвязанного однотактного преобразователя постоянного напряжения с удвоением напряжения на нагрузке с последовательной включенной линейной индуктивностью с первой первичной обмоткой трансформатора. На фиг.3 показана принципиальная электрическая схема выполнения предлагаемого магнитносвязанного однотактного преобразователя постоянного напряжения с удвоением напряжения на нагрузке с последовательной включенной линейной индуктивностью с второй вторичной обмоткой трансформатора.

В нем (фиг.1) начало первичной обмотки 1 трансформатора 2 соединено с положительным полюсом входного источника постоянного напряжения, а конец первой первичной обмотки 1 подключен к аноду диода 3, катод которого через первый конденсатор 4 подключен к отрицательному полюсу входного источника постоянного напряжения, образующему общую шину. К общей точке соединения катода диода 3 и конденсатора 4 подключено начало второй первичной обмотки 5 трансформатора 2, конец которой через силовой регулирующий ключ 6 подключен к общей шине. Между концом второй первичной обмотки 5 и анодом диода 3 включен второй конденсатор 7.

С началом первой вторичной обмотки 8 соединен анод первого выпрямительного диода 9, катод которого подключен к первому выводу конденсатора 10, второй вывод которого подключен к концу вторичной обмотки 8. Катод второго выпрямительного диода 11 подключен к концу вторичной обмотки 8 трансформатора 2, а анод к первому выводу второго конденсатора 12, второй вывод которого подключен к началу вторичной обмотки 8. Между двумя конденсаторами 10, 12, встречно первой вторичной обмотке 8 включена вторая вторичная обмотка 13 с последовательно включенным конденсатором фильтра 14, параллельно которому включена нагрузка 15.

Принцип действия предлагаемого магнитносвязанного однотактного преобразователя постоянного напряжения с удвоением напряжения на нагрузке 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 6. В этом случае на этапе замкнутого состояния DT ключа 6 происходит одновременно протекание нескольких процессов: намагничивание сердечника трансформатора 2 по первой первичной обмотке 1 через конденсатор 7 и силовой регулирующий ключ 6 от источника входного постоянного напряжения и по второй первичной обмотке 5 от конденсатора 4 через силовой регулирующий ключ 6.

В результате этих процессов конденсаторы 4,7 разряжаются. После выключения силового регулирующего ключа 6, накопленная энергия в индуктивности намагничивания трансформатора 2, передается через первую первичную обмотку 1, источник входного постоянного напряжения, диод 3 в конденсатор 4, а через вторую первичную обмотку 5 и диод 3 в конденсатор 7.

Вследствие этих процессов конденсаторы 4, 7 заряжаются.

В результате описанных процессов на конденсаторе 4 устанавливается постоянное напряжение V_IN(1-D)/(1-2D), а на конденсаторе 7 постоянное напряжение V_IND/(1-2D). Следующий процесс, который протекает одновременно с описанными процессами на интервале времени DT включенного состояния силового регулирующего ключа 6, это передача энергии в нагрузку через вторичную обмотку 8 трансформатора 2 и одновременный заряд двух конденсаторов 10, 12 через прямосмещенные выпрямительные диоды 9, 11, что приводит к установлению напряжений на этих конденсаторах nV_IN(1-D)/(1-2D), где n есть отношение числа витков обмотки 8, к первичным обмоткам 1, 5, которые имеют равное число витков, а токи, протекающие через выпрямительные диоды 9, 11 составляет I_L/D, где I_L - ток нагрузки.

Между двумя конденсаторами 10, 12 встречно первой вторичной обмотке 8, через которую осуществляется передача мощности в нагрузку, включена вторая вторичная обмотка 13, равная по числу витков первой вторичной обмотке, которая компенсирует переменную составляющую первой вторичной обмотки 8 и тем самым на конденсаторе фильтра 14 с параллельно включенной нагрузкой 15 выделяется удвоенное напряжение 2nV_IN(1-D)/(1-2D), равное сумме напряжений на конденсаторах 10, 12.

Заметим, что передача энергии в нагрузку на интервале времени DT включенного состояния силового регулирующего ключа 6 идет из источника входного постоянного напряжения и конденсаторов 4,7, что и приводит к их разряду на данном временном интервале.

После выключения силового регулирующего ключа 6 на интервале времени (1-D)T также одновременно протекают несколько процессов, связанных с переполюсовкой напряжений на всех обмотках трансформатора 2, восстановление магнитных свойств сердечника трансформатора 2 за счет передачи энергии и заряда конденсаторов 4, 7, которые при этом клампируют силовой регулирующий ключ 6 на уровне V_IN/(1-2D) исключая высоковольтные всплески напряжения на силовом регулирующем ключе из-за индуктивностей рассеяния при его выключении.

Особенностью данного магнитносвязанного однотактного преобразователя постоянного напряжения с удвоением напряжения на нагрузке является то, что намагничивание трансформатора идет как по первичным обмоткам трансформатора 2 от источника постоянного входного напряжения так и по первой вторичной обмотке 8 трансформатора 2 от напряжений на конденсаторах 10, 12, ток намагничивания которой направлен встречно прямым токам через диоды 9, 11, т.е. уменьшая их и тем самым компенсируя нарастающий ток намагничивания по первичным обмоткам трансформатора 2 и, как следствие этих процессов, через силовой регулирующий ключ 6 течет не трапецеидальный ток, имеющий место в известном устройстве, а прямоугольный, приводящий к уменьшению статических потерь в регулирующем ключе.

При включении силового регулирующего ключа 6 одновременная передача энергии в нагрузку невозможна, поскольку катоды выпрямительных диодов 9, 11, имеют положительные потенциалы равные напряжениям на конденсаторах 10, 12, что приводит 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 9, 11 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 1, 5 и конденсаторов 4, 7 образует магнитносвязанную цепь, дающую возможность воздействовать на эффективную индуктивность для переменной составляющей и обеспечить гладкое потребление энергии из входного источника постоянного напряжения путем включения линейной индуктивности 16 последовательно с первой первичной обмоткой 1, что показано на фиг.2.

Аналогично, цепь составленная из первой вторичной обмотки, первого конденсатора на вторичной стороне и второй вторичной обмотки, включенной встречно первой вторичной обмотке образует магнитносвязанную цепь дающую возможность воздействовать на эффективную индуктивность для переменной составляющей практически исключающей пульсации напряжения на нагрузке путем включения линейной индуктивности 17 последовательно с второй вторичной обмоткой, показанной на фиг.3.

Таким образом, предлагаемый магнитносвязанный однотактный преобразователь постоянного напряжения с удвоением напряжения на нагрузке, по сравнению с известным устройством позволяет исключить тяжелый дорогой Г-образный сглаживающий LC-фильтр, к которому подключена нагрузка, обеспечить режим работы с удвоением напряжения на нагрузке, уменьшить статические и динамические потери в силовом регулирующем ключе.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №1628164 “Импульсный регулятор постоянного напряжения” А.Г. Поликарпов и др. от 20.06.1988 г.

Магнитносвязанный однотактный преобразователь постоянного напряжения с удвоением напряжения на нагрузке 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 с удвоением напряжения на нагрузке, исключение Г-образного сглаживающего LC-фильтра, к которому подключена нагрузка, уменьшение статических и динамических потерь. Устройство содержит трансформатор 2, начало первой первичной обмотки 1 которого соединено с положительным полюсом входного источника постоянного напряжения, а конец первой первичной обмотки 1 подключен к аноду диода 3, катод которого через первый конденсатор 4 подключен к отрицательному полюсу входного источника постоянного напряжения, образующему общую шину. К общей точке соединения катода диода 3 и конденсатора 4 подключено начало второй первичной обмотки 5 трансформатора 2, конец которой через силовой регулирующий ключ 6 подключен к общей шине. Между концом второй первичной обмотки 5 и анодом диода 3 включен второй конденсатор 7. С началом первой вторичной обмотки 8 соединен анод первого выпрямительного диода 9, катод которого подключен к первому выводу конденсатора 10, второй вывод которого подключен к концу вторичной обмотки 8. Катод второго выпрямительного диода 11 подключен к концу вторичной обмотки 8 трансформатора 2, а анод к первому выводу второго конденсатора 12, второй вывод которого подключен к началу вторичной обмотки 8. Между двумя конденсаторами 10, 12 встречно первой вторичной обмотке 8 включена вторая вторичная обмотка 13 с последовательно включенным конденсатором фильтра 14, параллельно которому включена нагрузка 15. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Магнитносвязанный однотактный преобразователь постоянного напряжения с удвоением напряжения на нагрузке, содержащий трансформатор, имеющий две первичные обмотки и две вторичные обмотки, при этом две первичные обмотки включены встречно и последовательно через два конденсатора и подключены к выводам источника постоянного напряжения таким образом, что конец второй первичной обмотки через силовой регулирующий ключ подключен к отрицательному выводу входного источника постоянного напряжения, первая первичная обмотка началом подключена к положительному выводу входного источника постоянного напряжения, концом через диод и конденсатор к отрицательному выводу входного источника постоянного напряжения, а начало второй первичной обмотки подключено к катоду диода, анод которого подключен к концу первой первичной обмотки, отличающийся тем, что к началу и концу первой вторичной обмотки подключены первыми полюсами два конденсатора, второй полюс первого конденсатора подключен к катоду одного выпрямительного диода, анод которого подключен к началу первой вторичной обмотки, а второй полюс второго конденсатора подключен к аноду другого выпрямительного диода, катод которого подключен к концу первой вторичной обмотки, при этом между двумя конденсаторами включена встречно первой вторичной обмотке вторая вторичная обмотка с числом витков, равным числу витков первой вторичной обмотке с последовательно включенным конденсатором фильтра, параллельно которому включена нагрузка.

2. Магнитносвязанный однотактный преобразователь постоянного напряжения с удвоением напряжения на нагрузке по п.1, отличающийся тем, что последовательно с одной из первичных обмоток трансформатора, подключенной к положительному выводу, включена линейная индуктивность.

3. Магнитносвязанный однотактный преобразователь постоянного напряжения с удвоением напряжения на нагрузке по п.1, отличающийся тем, что последовательно с одной из вторичных обмоток трансформатора, подключенной к конденсатору фильтра с параллельно включенной нагрузкой, включена линейная индуктивность.