Магнитносвязанный корректор коэффициента мощности с пассивным клампирующим элементом и оптимизированным блоком стабилизации постоянного выходного напряжения Российский патент 2024 года по МПК G05F1/70 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразователям переменного напряжения в постоянное напряжение, и может быть использовано в системах вторичного электропитания для коррекции коэффициента мощности, преобразования, регулирования и стабилизации постоянного выходного напряжения.

Известны преобразователи переменного напряжения в постоянное напряжение с подключением нагрузки через выпрямительные диоды и сглаживающий емкостной фильтр [1].

Недостатком известных преобразователей переменного напряжения в постоянное напряжение является отсутствие оптимизации блока стабилизации постоянного выходного напряжения.

Наиболее близок по технической сущности к предлагаемому устройству преобразователь переменного синусоидального напряжения в постоянное выходное напряжение, содержащий первичную обмотку трансформатора, подключенную через встречно-последовательные управляемые ключи к зажимам источника переменного синусоидального напряжения, вторичную обмотку трансформатора, подключенную через выпрямительные диоды к емкостному фильтру и нагрузке [1].

Недостатком этого преобразователя напряжения является то, что в нем отсутствует оптимизация блока стабилизации постоянного выходного напряжения.

Цель изобретения - оптимизация блока формирования постоянного выходного напряжения и его стабилизация.

Поставленная цель достигается тем, что в магнитносвязанном корректоре коэффициента мощности с пассивным клампирующим элементом и оптимизированным блоком стабилизации постоянного выходного напряжения введен понижающий регулятор с магнитносвязанным двухобмоточным магнитным элементом с непрерывным потреблением и передачей энергии в нагрузку, управление которым осуществляется цепью обратной связи, реализованной в виде широтно-импульсного контроллера.

На фиг. 1 и 2 показаны принципиальные электрические схемы вариантов выполнения предлагаемого магнитносвязанного корректора коэффициента мощности с пассивным клампирующим элементом и оптимизированным блоком стабилизации постоянного выходного напряжения. На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема магнитносвязанного корректора коэффициента мощности с пассивным клампирующим элементом и оптимизированным блоком стабилизации постоянного выходного напряжения; на фиг.2 представлена принципиальная электрическая схема магнитносвязанного корректора коэффициента мощности с пассивным клампирующим элементом и оптимизированным блоком стабилизации постоянного выходного напряжения с введением дополнительной линейной индуктивности последовательно с первичной обмоткой трансформатора.

В нем (фиг. 1) начало первичной обмотки 1 трансформатора 2 соединено с первым полюсом входного источника переменного напряжения, а конец первичной обмотки 1 через управляемый встречно-последовательный ключ 3 подключен ко второму полюсу входного источника переменного напряжения. Параллельно встречно-последовательному ключу 3 включена последовательно с конденсатором 5 вторая магнитносвязанная обмотка 4 противофазная первой обмотке. Две вторичные обмотки 6 и 7 трансформатора 2, включенные противофазно, соединены последовательно через конденсатор 8 так, что начало обмотки 6 соединено с катодом диода 9, анод которого подключен к концу обмотки 7, а начало обмотки 7 соединено с анодом диода 10, катод которого подключен к концу обмотки 6. Общая точка соединения начала обмотки 6 и катода 9 через линейную индуктивность подключена к началу первой обмотки понижающего регулятора с магнитносвязанным магнитным элементом 11, а общая точка соединения начала обмотки 7 и анода диода 10 подключена к началу второй обмотки понижающего регулятора с магнитносвязанным магнитным элементом 11. К выходным зажимам понижающего регулятора с магнитносвязанным магнитным элементом 11 подключен управляющий контроллер 12 широтно-импульсного типа, который управляет регулирующим транзистором понижающего регулятора с магнитносвязанным магнитным элементом 11. Управляющие электроды встречно-последовательного ключа 3 объединены в общую точку соединения и подключены к контроллеру 15, второй вывод которого подключен к общей точке соединения встречно-последовательных ключей транзисторов ключа 3. Параллельно дополнительной обмотке 13 трансформатора 2 включена линейная индуктивность 14.

На фиг. 2 последовательно первичной обмотке 1 трансформатора 2 включена линейная индуктивность 16.

Принцип действия предлагаемого магнитносвязанного корректора коэффициента мощности с пассивным клампирующим элементом и оптимизированным блоком стабилизации постоянного выходного напряжения 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.

Допустим, что в момент рассмотрения работы магнитносвязанного корректора коэффициента мощности с пассивным клампирующим элементом и оптимизированным блоком стабилизации постоянного выходного напряжения от источника переменного напряжения поступает положительная полуволна синусоидального напряжения. В этом случае на этапе замкнутого состояния DT ключа 3 полевой транзистор (MOSFET) ключа 3 работает в нормальном ключевом режиме (в рассматриваемом случае верхний), а второй (нижний) в режиме синхронного выпрямителя. На этом промежутке времени происходит накопление энергии в индуктивности намагничивания трансформатора 2 обусловленное первичными обмотками 1,4.

После выключения ключа 3 на интервале времени (1-D)T происходит переполюсовка напряжений на обмотках трансформатора, включается диод 9 и накопленная энергия в индуктивности намагничивания через вторичную обмотку 6 трансформатора 2 выводится в последовательно включенный конденсатор 8.

При изменении полярности источника входного напряжения все описанные выше процессы повторяются с той лишь разницей, что теперь на интервале времени (1-D)T включается диод 10 и накопленная энергия в индуктивности намагничивания через вторичную обмотку 7 трансформатора 2 выводится в последовательно включенный конденсатор 8.

Цепь на вторичной стороне трансформатора 2, составленная из противофазно включённых вторичных обмоток 6,7 включенных последовательно через конденсатор 8 и диодов 9,10 образует пассивный клампирующий элемент, обеспечивающий фиксацию напряжений на обмотках трансформатора 2 на интервале времени (1-D)T выключенного состояния регулирующего ключа 3.

Использование магнитносвязанной цепи, обусловленной обмотками 1,4 позволяет существенно увеличить дифференциальную индуктивность обмоток (для пульсаций тока), которая описывается для обмотки 1 выражением и для обмотки 4 выражением . В этих выражениях L₁₁ = L_μ1 + L_S1 - индуктивность намагничивания трансформатора 2 по обмотке 1 с учетом индуктивности рассеяния, а L₂₂ = L_μ2 +L_S2 - индуктивность намагничивания трансформатора 2 по обмотке 1 с учетом индуктивности рассеяния, где - коэффициент связи между обмотками 1 и 4 всегда меньше или равен единице, а - коэффициент трансформации между обмотками 1 и 4. В нашем случае важна величина L_ЭФФ1, которая при k=n равна бесконечности и тем самым исключаются пульсации тока непрерывного и синфазного с входным переменным напряжением. При равенстве числа витков обмоток 1,4 желательная величина L_ЭФФ1 достигается включением небольшой индуктивности 16 последовательно с обмоткой 1.

Ведение дополнительной обмотки 13 трансформатора 2 с параллельно включенной линейной индуктивностью 14 позволяет ослабить жесткую связь величины индуктивности намагничивания трансформатора 2 с числом витков первичной обмотки 1, геометрическим размером магнитопровода и зазором трансформатора, что расширяет диапазон изменений входного напряжения.

Величины временных интервалов DT и (1-D)T устанавливаются фиксированными, и в процессе работы магнитносвязанного корректора коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного напряжения не изменяются, тем самым фиксируя максимальную передаваемую мощность в нагрузку.

Поддержание постоянного выходного напряжения в нагрузке осуществляется с помощью понижающего регулятора 11 [2], отличительной особенностью которого является непрерывное потребление и передача энергии в нагрузку, и этим свойством он является аналогом резистивной нагрузки, в котором два магнитных элемента заменены одним двухобмоточным элементом. Обратная связь, реализованная в виде широтно-импульсного контроллера 12, воздействует на регулирующий транзистор регулятора напряжения 11, обеспечивая поддержание постоянного выходного напряжения с заданной точностью.

Таким образом, предлагаемый магнитносвязанный корректор коэффициента мощности с пассивным клампирующим элементом и оптимизированным блоком стабилизации постоянного выходного напряжения позволяет по сравнению с известным устройством осуществить оптимизацию блока формирования постоянного выходного напряжения и его стабилизацию.

Источники информации

1. Патент на изобретение РФ № 2802914 с приоритетом от 02.02.2023.

2. Авторское свидетельство СССР №1598073 “Импульсный регулятор постоянного напряжения” А.Г. Поликарпов, Е.Ф. Сергиенко с приоритетом от 05.12.1988.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразователям переменного напряжения в постоянное напряжение, и может быть использовано в системах вторичного электропитания для коррекции коэффициента мощности, преобразования, регулирования и стабилизации постоянного выходного напряжения. Цель изобретения - оптимизация блока формирования постоянного выходного напряжения и его стабилизация. Устройство содержит силовой регулирующий ключ 3, реализованный в виде встречно-последовательного включения полевых транзисторов (MOSFET), управляющие электроды которых объединены в общую точку, подключенную к цепи управления 15. Силовой трансформатор 2, первичная обмотка 1 которого через силовой регулирующий ключ 3 подключена к источнику переменного напряжения. Параллельно силовому регулирующему ключу 3 включена магнитносвязанная с обмоткой 1 обмотка 4, противофазная обмотке 1 с последовательно включенным конденсатором 5. Две вторичные обмотки 6 и 7 трансформатора 2, включенные противофазно, соединены последовательно через конденсатор 8. Начало обмотки 6 соединено с катодом диода 9, анод которого подключен к концу обмотки 7. Начало обмотки 7 соединено с анодом диода 10, катод которого подключен к концу обмотки 6. Общая точка соединения начала обмотки 6 и катода 9 через линейную индуктивность подключена к началу первой обмотки понижающего регулятора с магнитносвязанным магнитным элементом 11, а общая точка соединения начала обмотки 7 и анода диода 10 подключена к началу второй обмотки понижающего регулятора с магнитносвязанным магнитным элементом 11. К выходным зажимам понижающего регулятора с магнитносвязанным магнитным элементом 11 подключен управляющий контроллер 12 широтно-импульсного типа, который управляет регулирующим транзистором понижающего регулятора с магнитносвязанным магнитным элементом 11. Управляющие электроды встречно-последовательного ключа 3 объединены в общую точку соединения и подключены к контроллеру 15, второй вывод которого подключен к общей точке соединения встречно-последовательных ключей транзисторов ключа 3. Параллельно дополнительной обмотке 13 трансформатора 2 включена линейная индуктивность 14. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Магнитносвязанный корректор коэффициента мощности с пассивным клампирующим элементом и оптимизированным блоком стабилизации постоянного выходного напряжения, содержащий электромагнитный элемент, имеющий первичную обмотку, подключенную через встречно-последовательный ключ, выполненный на полевых транзисторах типа MOSFET, к выходным выводам источника переменного напряжения, первый и второй выпрямительные диоды, соединенные с выходными зажимами конденсаторов фильтра, и управляющий контроллер, отличающийся тем, что электромагнитный элемент выполнен в виде трансформатора, в котором введена вторая первичная обмотка трансформатора, противофазная первой первичной обмотке трансформатора, и с последовательно включенным конденсатором включена параллельно встречно-последовательному ключу, выполненному на полевых транзисторах типа MOSFET, пассивный клампирующий элемент выполнен в виде двух вторичных обмоток трансформатора, включенных противофазно и последовательно через второй конденсатор, в котором начало первой вторичной обмотки трансформатора соединено с катодом диода, анод которого подключен к концу второй вторичной обмотки трансформатора, начало второй вторичной обмотки трансформатора соединено с анодом другого диода, катод которого подключен к концу первой вторичной обмотки трансформатора, при этом введен понижающий регулятор с магнитносвязанным магнитным элементом, начало первой обмотки которого через линейную индуктивность подключено к общей точке соединения начала первой вторичной обмотки трансформатора и катода одного диода, начало второй вторичной обмотки которого подключено к общей точке соединения начала второй вторичной обмотки трансформатора и анода другого диода, а выходные выводы понижающего регулятора с магнитносвязанным магнитным элементом подключены к зажимам конденсаторов фильтра.

2. Магнитносвязанный корректор коэффициента мощности с пассивным клампирующим элементом и оптимизированным блоком стабилизации постоянного выходного напряжения по п.1, отличающийся тем, что последовательно с первой первичной обмоткой трансформатора включена линейная индуктивность.

3. Магнитносвязанный корректор коэффициента мощности с пассивным клампирующим элементом и оптимизированным блоком стабилизации постоянного выходного напряжения по п.1, отличающийся тем, что понижающий регулятор с магнитносвязанным магнитным элементом выполнен с непрерывным потреблением и передачей энергии в нагрузку и охвачен обратной связью контроллером с широтно-импульсным регулированием.

4. Магнитносвязанный корректор коэффициента мощности с пассивным клампирующим элементом и оптимизированным блоком стабилизации постоянного выходного напряжения по п.1, отличающийся тем, что встречно-последовательные ключи управляются контроллером постоянной длительности.

5. Магнитносвязанный корректор коэффициента мощности с пассивным клампирующим элементом и оптимизированным блоком стабилизации постоянного выходного напряжения по п.1, отличающийся тем, что введена дополнительная обмотка трансформатора, параллельно которой включена линейная индуктивность.