Магнитносвязанный однотактный преобразователь постоянного напряжения с умножением 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, невозможность уменьшения статических и динамических потерь и умножения уровня выходного напряжения.

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 умножением 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 умножением 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, соединение элементов вторичной стороны образует первое звено из N-числа возможных звеньев, последовательное соединение которых позволяет получить сколь угодно высокое выходное напряжение при использовании низковольтной элементной базы, а параллельно последовательной цепи звеньев включен конденсатор фильтра с параллельно включенной нагрузкой.

На фиг.1, 2 и 3 показаны принципиальные электрические схемы вариантов выполнения предлагаемого магнитносвязанного однотактного преобразователя постоянного напряжения с умножением напряжения на нагрузке. На фиг.1 показана принципиальная электрическая схема выполнения предлагаемого магнитносвязанного однотактного преобразователя постоянного напряжения с умножением напряжения на нагрузке. На фиг.2 показана принципиальная электрическая схема выполнения предлагаемого магнитносвязанного однотактного преобразователя постоянного напряжения с умножением напряжения на нагрузке с последовательно включенной линейной индуктивностью с первой первичной обмоткой трансформатора. На фиг.3 показана принципиальная электрическая схема выполнения предлагаемого магнитносвязанного однотактного преобразователя постоянного напряжения с умножением напряжения на нагрузке с последовательно включенной линейной индуктивностью между конденсатором фильтра с параллельно включенной нагрузкой и одним из полюсов N-звеной последовательной цепи.

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; соединение перечисленных элементов образует первое звено 14.1, число которых может быть 14.N, где N- число звеньев, включенных последовательно таким образом, что начало второй вторичной обмотки следующего звена соединено с общей точкой соединения второго конденсатора и второго выпрямительного диода предыдущего звена, а параллельно последовательной цепи звеньев включен конденсатор фильтра 15 с параллельно включенной нагрузкой 16.

Принцип действия предлагаемого магнитносвязанного однотактного преобразователя постоянного напряжения с умножением 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 выделяется постоянное удвоенное напряжение 2nV_IN(1-D)/(1-2D), равное сумме напряжений на конденсаторах 10, 12.

Аналогичные процессы протекают во всех звеньях, поскольку они являются копиями первого звена. Результирующее постоянное выходное напряжение с учетом всех N-звеньев равно N2nV_IN(1-D)/(1-2D).

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 умножением 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 последовательно включенных вторичных обмоток и конденсаторов каждого звена N-звеной последовательной цепи образует магнитносвязанную цепь, позволяющую воздействовать на эффективную индуктивность для переменной составляющей, путем включения линейной индуктивности между конденсатором фильтра с параллельно включенной нагрузкой и одним из полюсов N-звеной последовательной цепи и практического исключения пульсаций на нагрузке, показанной на фиг.3.

Таким образом, предлагаемый магнитносвязанный однотактный преобразователь постоянного напряжения с умножением 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 умножением напряжения на нагрузке, уменьшить статические и динамические потери в силовом регулирующем ключе.

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 умножением 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 умножением 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; соединение перечисленных элементов образует первое звено 14.1, число которых может быть 14.N, где N- число звеньев, включенных последовательно таким образом, что начало второй вторичной обмотки следующего звена соединено с общей точкой соединения второго конденсатора и второго выпрямительного диода предыдущего звена, а параллельно последовательной цепи звеньев включен конденсатор фильтра 15 с параллельно включенной нагрузкой 16. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Магнитносвязанный однотактный преобразователь постоянного напряжения с умножением напряжения на нагрузке, содержащий трансформатор, имеющий две первичные обмотки и 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 равным числом витков первой вторичной обмотке, и данная цепь соединения на вторичной стороне образует первое звено умножения постоянного выходного напряжения из N-числа возможных звеньев, образующих умноженное постоянное выходное напряжение, включенных последовательно так, что начало второй вторичной обмотки следующего звена соединено с общей точкой соединения второго конденсатора и второго выпрямительного диода предыдущего звена, а параллельно последовательной цепи звеньев включен конденсатор фильтра с параллельно включенной нагрузкой.

2. Магнитносвязанный однотактный преобразователь постоянного напряжения с умножением 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 умножением напряжения на нагрузке по п.1, отличающийся тем, что последовательно с одним из полюсов N-звенной последовательной цепи и конденсатором фильтра с параллельно включенной нагрузкой включена линейная индуктивность.