Однотактный преобразователь постоянного напряжения с прямой передачей энергии в нагрузку 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 передачей энергии в нагрузку [1].

Недостатками известного однотактного преобразователя постоянного напряжения является наличие тяжелого, дорогого Г-образного сглаживающего LC-фильтра 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 передачей энергии в нагрузку на прямом, т.е. на интервале времени включенного состояния силового регулирующего ключа, исключение Г-образного сглаживающего LC-фильтра, к которому подключена нагрузка, уменьшение статических и динамических потерь.

Поставленная цель достигается тем, что в однотактном преобразователе постоянного напряжения с прямой передачей энергии в нагрузку, 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, а вторичная обмотка началом соединена с анодом выпрямительного диода, катод которого подключен к первому выводу конденсатора фильтра с параллельно включенной нагрузкой, второй вывод которого подключен к концу вторичной обмотки.

На фиг. 1 и 2 показаны принципиальные электрические схемы вариантов выполнения предлагаемого однотактного преобразователя постоянного напряжения с прямой передачей энергии в нагрузку. На фиг. 1 показана принципиальная электрическая схема выполнения предлагаемого однотактного преобразователя постоянного напряжения с прямой передачей энергии в нагрузку. На фиг. 2 показана принципиальная электрическая схема выполнения предлагаемого однотактного преобразователя постоянного напряжения с прямой передачей энергии в нагрузку с последовательно включенной линейной индуктивностью с первой первичной 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 вторичной обмотки 8 соединен анод выпрямительного диода 9, катод которого подключен к первому выводу конденсатора фильтра 10, второй вывод которого подключен к концу вторичной обмотки 8. Параллельно конденсатору фильтра 10, включена нагрузка 11.

Принцип действия предлагаемого однотактного преобразователя постоянного напряжения с прямой передачей энергии в нагрузку 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 прямосмещенный выпрямительный диод 9, что приводит к установлению напряжения на конденсаторе фильтра 10 и нагрузке равного nV_C3=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 ток, протекающий через выпрямительный диод 9, составляет I_L/D, где I_L - ток нагрузки.

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 индуктивности рассеяния при его выключении.

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 12 последовательно с первой первичной обмоткой 1, что показано на фиг. 2.

Особенностью данного однотактного преобразователя постоянного напряжения с прямой передачей энергии в нагрузку является то, что намагничивание трансформатора идет как по первичным обмоткам трансформатора 2 от источника постоянного входного напряжения, так и по вторичной обмотке трансформатора 2 от выходного напряжения, что приводит к уменьшению тока через выпрямительный диод 9 и компенсации нарастающего тока от намагничивания по первичным обмоткам трансформатора и, как следствие, этих процессов через регулирующий ключ течет не трапецеидальный ток, имеющий место в известном устройстве, а прямоугольный ток, приводящий к уменьшению статических потерь в регулирующем ключе. При выключении регулирующего ключа 6 одновременно передача энергии в нагрузку невозможна, поскольку катод выпрямительного диода 9 имеет положительный потенциал, равный выходному напряжению, что приводит к разнесению фронтов тока и напряжения, и уменьшению динамических потерь при включении ключа. Аналогичные процессы протекают при выключении регулирующего ключа.

Таким образом, предлагаемый однотактный преобразователь постоянного напряжения с прямой передачей энергии в нагрузку, по сравнению с известным устройством позволяет исключить тяжелый, дорогой Г-образный сглаживающий LC-фильтр, к которому подключена нагрузка, а также уменьшить статические и динамические потери в регулирующем ключе.

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

Однотактный преобразователь постоянного напряжения с прямой передачей энергии в нагрузку 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 передачей энергии в нагрузку на прямом, т.е. на интервале времени включенного состояния силового регулирующего ключа, 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 вторичной обмотки 8 соединен анод выпрямительного диода 9, катод которого подключен к первому выводу конденсатора фильтра 10, второй вывод которого подключен к концу вторичной обмотки 8. Параллельно конденсатору фильтра 10 включена нагрузка 11. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Однотактный преобразователь постоянного напряжения с прямой передачей энергии в нагрузку, содержащий трансформатор, имеющий две первичные обмотки и вторичную обмотку, два конденсатора, силовой регулирующий ключ и два выпрямительных диода, 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 вторичная обмотка трансформатора подключена к конденсатору фильтра так, что начало вторичной обмотки подключено к аноду диода, катод которого подключен к конденсатору фильтра, конец вторичной обмотки подключен к конденсатору фильтра непосредственно, а параллельно конденсатору фильтра включена нагрузка.

2. Однотактный преобразователь постоянного напряжения с прямой передачей энергии в нагрузку по п.1, отличающийся тем, что последовательно с одной из первичных обмоток трансформатора, подключенной к положительному выводу, включена линейная индуктивность.