Низковольтный преобразователь постоянного напряжения с активным клампированием 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 статических потерь мощности.

Известны преобразователи постоянного напряжения с активным клампированием [1].

Недостатком известного преобразователя постоянного напряжения с активным клампированием является необходимость использования двух вторичных обмоток с незначительным отличием по числу витков и неэффективным их использованием, что приводит к дополнительной потере мощности, необходимость использования специальной схемы управления синхронными выпрямителями, не оптимальность магнитных свойств трансформатора.

Наиболее близок по технической сущности к предлагаемому устройству преобразователь постоянного напряжения с активным клампированием приведенный в [1], содержащий первичную обмотку трансформатора, подключённую через силовой регулирующий ключ к зажимам входного источника постоянного напряжения, параллельно которой подключен клампирующий элемент, составленный из последовательно соединенных конденсатора и дополнительного ключа, трансформатор, осуществляющий электрическую развязку и получение требуемого уровня постоянного выходного напряжения, вторичные обмотки, подключённые через выпрямительные диоды ко входу Г-образного LC-фильтра, к выходу которого подключена нагрузка.

Цель изобретения - формирование низковольтного постоянного выходного напряжения из высоковольтного постоянного входного напряжения, уменьшение статических потерь, упрощение управления синхронным выпрямителями и оптимизация магнитных свойств трансформатора.

Поставленная цель достигается тем, что в низковольтном преобразователе постоянного напряжения с активным клампированием, первичная обмотка трансформатора которого через силовой регулирующий ключ подключена к зажимам входного источника постоянного напряжения, параллельно которой включен клампирующий элемент, две вторичные обмотки включены последовательно и согласно с первым выпрямительным диодом, второй выпрямительный диод катодом включен к общей точке соединения последовательно включенных вторичных обмоток, а анодом к аноду первого выпрямительного диода, и подключены к входным зажимам Г-образного LC-фильтра, к выходным зажимам которого подключена нагрузка, при этом управление синхронными выпрямителями осуществляется от обмотки трансформатора, а оптимизация магнитных свойств трансформатора достигается включением обмотки трансформатора последовательно с индуктивностью Г-образного LC-фильтра.

На фиг.1, 2 и 3 показаны принципиальные электрические схемы вариантов выполнения предлагаемого низковольтного преобразователя постоянного напряжения с активным клампированием.

На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема низковольтного преобразователя постоянного напряжения с активным клампированием; на фиг.2 представлена принципиальная электрическая схема низковольтного преобразователя постоянного напряжения с активным клампированием c использованием синхронных выпрямителей вместо выпрямительных диодов и управлением от обмотки трансформатора; на фиг.3 представлена принципиальная электрическая схема низковольтного преобразователя постоянного напряжения с активным клампированием с введением дополнительной обмотки намагничивания последовательно с индуктивностью Г-образного LC-фильтра.

В нем (фиг.1) начало первичной обмотки 1 трансформатора 2 соединено с положительным полюсом входного источника постоянного напряжения, а конец первичной обмотки 1 через силовой регулирующий ключ 3, реализованный в виде полевого транзистора MOSFET, подключен к отрицательному полюсу входного источника постоянного напряжения. Параллельно первичной обмотке 1 трансформатора 2 включен клампирующий элемент, составленный из последовательно соединенных конденсатора 4 и дополнительного ключа 5, реализованного в виде полевого транзистора MOSFET. Конец первой вторичной обмотки 6 соединен последовательно с началом второй вторичной обмотки 7, конец которой подключен к катоду диода 8, а начало второй вторичной обмотки 7 подключено к катоду диода 9, аноды диодов 8 и 9 объединены в общую точку соединения. Начало вторичной обмотки 6 трансформатора 2 и общая точка соединения анодов диодов 8 и 9 подключены ко входу Г-образного LC-фильтра 10, параллельно выходным зажимам которого подключена нагрузка 11. Управляющие электроды ключей 3, 5 подключены к широтно-импульсному контроллеру 12.

Принцип действия предлагаемого низковольтного преобразователя постоянного напряжения с активным клампированием 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 передача энергии в нагрузку через последовательно включенные обмотки 6, 7, прямосмещенный диод 8 и Г-образный LC-фильтр, в то время как диод 9 заперт и находится под обратным смещением, равным n₂V_IN, где n₂ - есть отношение витков обмоток 7 к 1, а n₁ - есть отношение суммы витков 6 и 7 к 1. При выключении силового регулирующего ключа 3 происходит включение дополнительного ключа 5 клампирующего элемента и на всех обмотках трансформатора происходит переполюсовка напряжений, а на первичной обмотке 1 трансформатора 2 устанавливается напряжение V_IND/(1-D) равное среднему напряжению на конденсаторе 4 клампирующего элемента. Это напряжение трансформируется во вторичные обмотки 6, 7 трансформатора 2 в виде напряжения с отрицательным знаком, что приводит к переключению тока дросселя Г-образного LC-фильтра на диод, находящийся под меньшим отрицательным напряжением, в нашем случае диод 9, поскольку число витков вторичной обмотки 6 меньше суммы числа витков вторичных обмоток 6 и 7. На этом интервале времени (1-D)T, проводящего состояния дополнительного ключа 5 клампирующего элемента, обратное напряжение на запертом диоде 8 равно n₂V_IND/(1-D). Таким образом, на входе Г-образного LC-фильтра действует разнополярное напряжение равное n₁V_IN на интервале времени DT, включенного состояния регулирующего ключа 3, и отрицательное напряжение (n₁-n₂)V_IND/(1-D) на интервале времени (1-D)T, включенного дополнительного ключа 5 клампирующего элемента.

Вследствие этого на нагрузке устанавливается выходное напряжение (n₁-n₂)V_IND, а ток через силовой регулирующей ключ 3 равен (n₁-n₂)I_L. Таким образом низкое выходное напряжение определяется в основном разностью коэффициентов трансформаций при любых значениях n₁ и n₂, что позволяет обеспечить хороший коэффициент связи между первичной и вторичными обмотками трансформатора 2 при значительном различии величин входного (десятки вольт) и выходного (единиц и даже долей вольт) напряжений.

При низком выходном напряжении, которое реализуется в предлагаемом устройстве, прямые падения напряжений на диодах, находящихся в проводящемся состоянии, оказываются существенными, что влияет на коэффициент полезного действия. Для снижения этого влияния целесообразно вместо выпрямительных диодов использовать синхронные выпрямители 13, 14 реализованные на полевых транзисторах MOSFET со схемой управления реализованной в виде обмотки 15 трансформатора 2 с последовательно включенным резистором 16, включенной между управляющими электродами MOSFET, параллельно которым включены резисторы 17, 18 фиг.2, что при необходимости не исключает использование специализированной схемы управления.

На интервале времени (1-D)T работы клампирующего элемента 5, 4 не происходит передачи энергии в нагрузку, а наоборот происходит рекуперация энергии из выходной цепи в клампирующий конденсатор 4 клампирующего элемента, что сказывается на намагничивании трансформатора и может привести к его насыщению, особенно, при широком диапазоне изменений нагрузки. Это устраняется выбором числа витков первичной обмотки 1 трансформатора 2 и выбором зазора в сердечнике трансформатора. Однако более эффективно это может быть устранено введением дополнительной обмотки намагничивания 19, включенной последовательно с индуктивностью Г-образного LC-фильтра 10 фиг.3, что практически позволяет уменьшать зазор в сердечнике трансформатора вплоть до его исключения.

Таким образом, предлагаемый низковольтный преобразователь постоянного напряжения, по сравнению с известным устройством позволяет формировать низковольтное постоянное выходное напряжение из высокого постоянного входного напряжения с уменьшением статических потерь мощности, упрощать управление синхронными выпрямителями и оптимизировать магнитные свойства трансформатора.

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. Технический результат - формирование низковольтного постоянного выходного напряжения из высоковольтного постоянного входного напряжения, уменьшение статических потерь, упрощение управления синхронными выпрямителями и оптимизация магнитных свойств трансформатора. В устройстве начало первичной обмотки 1 трансформатора 2 соединено с положительным полюсом входного источника постоянного напряжения, а конец первичной обмотки 1 через силовой регулирующий ключ 3, реализованный в виде полевого транзистора MOSFET, подключен к отрицательному полюсу входного источника постоянного напряжения. Параллельно первичной обмотке 1 трансформатора 2 включен клампирующий элемент, составленный из последовательно соединенных конденсатора 4 и дополнительного ключа 5, реализованного в виде полевого транзистора MOSFET. Конец первой вторичной обмотки 6 соединен последовательно с началом второй вторичной обмотки 7, конец которой подключен к катоду диода 8, а начало второй вторичной обмотки 7 подключено к катоду диода 9, аноды диодов 8 и 9 объединены в общую точку соединения. Начало вторичной обмотки 6 трансформатора 2 и общая точка соединения анодов диодов 8 и 9 подключены ко входу Г-образного LC-фильтра 10, параллельно выходным зажимам которого подключена нагрузка 11. Управляющие электроды ключей 3, 5 подключены к широтно-импульсному контроллеру 12. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Низковольтный преобразователь постоянного напряжения с активным клампированием, содержащий трансформатор, имеющий первичную обмотку, подключенную через силовой регулирующий ключ к выводам источника постоянного входного напряжения, параллельно которой включен клампирующий элемент, составленный из последовательно соединенных конденсатора и дополнительного ключа, вторичные обмотки с выпрямительными элементами, подключенные к Г-образному LC-фильтру, отличающийся тем, что две вторичные обмотки трансформатора включены последовательно и согласно и последовательно с первым выпрямительным элементом, второй выпрямительный элемент катодом включен к общей точке соединения последовательно включенных вторичных обмоток, а анодом к аноду первого выпрямительного элемента, и подключены к входным зажимам Г-образного LC-фильтра, к выходным зажимам которого подключена нагрузка.

2. Низковольтный преобразователь постоянного напряжения с активным клампированием по п.1, отличающийся тем, что выпрямительные элементы выполнены в виде выпрямительных диодов.

3. Низковольтный преобразователь постоянного напряжения с активным клампированием по п.1, отличающийся тем, что выпрямительные элементы выполнены в виде полевых транзисторов MOSFET со своей схемой управления.

4. Низковольтный преобразователь постоянного напряжения с активным клампированием по п.1, отличающийся тем, что схема управления в виде обмотки трансформатора с последовательно включенным резистором включена между управляющими электродами полевых транзисторов MOSFET, а параллельно управляющим электродам включены резисторы.

5. Низковольтный преобразователь постоянного напряжения с активным клампированием по п.1, отличающийся тем, что последовательно с индуктивностью Г-образного LC-фильтра включена намагничивающая обмотка трансформатора.