Низковольтный полумостовой преобразователь постоянного напряжения 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.

Известны полумостовые преобразователи постоянного напряжения [1].

Недостатком известного полумостового преобразователя постоянного напряжения 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 полумостовой преобразователь постоянного напряжения, подключенный к источнику постоянного входного напряжения, приведенный в [1], содержащий первичную обмотку трансформатора, подключенную в диагональ полумоста, трансформатор, осуществляющий электрическую развязку и получение требуемого уровня постоянного выходного напряжения, вторичные обмотки, подключенные 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 и динамических потерь, упрощение управления синхронным выпрямителями и оптимизация магнитных свойств трансформатора.

Поставленная цель достигается тем, что в низковольтном полумостовом преобразователе постоянного напряжения, первичная обмотка трансформатора которого включена в диагональ полумоста, а две вторичные обмотки с разным числом витков включены согласно и последовательно 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, 3 и 4 показаны принципиальные электрические схемы вариантов выполнения предлагаемого низковольтного полумостового преобразователя постоянного напряжения.

На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема низковольтного полумостового преобразователя постоянного напряжения; на фиг. 2 представлена принципиальная электрическая схема низковольтного полумостового преобразователя постоянного напряжения с введением небольшой линейной индуктивности в цепь первичной обмотки трансформатора; на фиг. 3 представлена принципиальная электрическая схема низковольтного полумостового преобразователя постоянного напряжения c использованием синхронных выпрямителей вместо выпрямительных диодов; на фиг. 4 представлена принципиальная электрическая схема низковольтного полумостового преобразователя постоянного напряжения с введением дополнительной обмотки намагничивания последовательно с индуктивностью Г-образного LC-фильтра.

В нем (фиг.1) первичная обмотка 7 трансформатора 8 включена в диагональ полумоста 1, началом к общей точке соединения ключей 2 и 3 полумоста, а концом к общей точке соединения конденсаторов 5 и 6 полумоста. Конец первой вторичной обмотки 9 трансформатора 8 соединен последовательно с началом второй вторичной обмотки 10, конец которой подключен к катоду диода 11, а начало второй вторичной обмотки 10 подключено к катоду диода 12, аноды диодов 11 и 12 объединены в общую точку соединения. Начало вторичной обмотки 9 трансформатора 8 и общие точки соединения анодов диодов 11 и 12 подключены ко входу Г-образного LC-фильтра 13, параллельно выходным зажимам которого подключена нагрузка 14. Управляющие электроды ключей 2 и 3 подключены к широтно-импульсному контроллеру 4.

Принцип действия предлагаемого низковольтного полумостового преобразователя постоянного напряжения рассмотрим исходя из предположения идеальности ключевых элементов, установившегося режима работы и непрерывности изменения магнитного потока в сердечнике трансформатора 8.

Обозначим через D относительную к периоду T длительность включенного состояния ключа 2. В этом случае на этапе замкнутого состояния DT ключа 2 происходит передача энергии в нагрузку через последовательно включенные обмотки 9, 10, прямосмещенный диод 11 и Г-образный LC-фильтр, в то время как диод 12 заперт и находится под обратным напряжением, равным n₂V_IN(1-D), где n₂ - есть отношение витков обмотки 10 к обмотке 1, а n₁ - есть отношение суммы витков обмоток 9 и 10 к обмотке 1.

При выключении силового регулирующего ключа 2 происходит включение силового регулирующего ключа 3 полумоста и на всех обмотках трансформатора происходит переполюсовка напряжений, а на первичной обмотке 7 трансформатора 8 устанавливается напряжение V_IND равное среднему напряжению на конденсаторе 6. Это напряжение трансформируется во вторичные обмотки 9 и 10 трансформатора 8 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 12, поскольку число витков вторичной обмотки 9 меньше суммы числа витков вторичных обмоток 9, 10. На этом интервале времени (1-D)T, проводящего состояния силового регулирующего ключа 3, обратное напряжение на запертом диоде 11 равно n₂V_IND. Таким образом, на входе Г-образного LC-фильтра действует разнополярное напряжение равное n₁V_IN(1-D) на интервале времени DT, включенного состояния силового регулирующего ключа 2, и отрицательное напряжение -n₂V_IND на интервале времени (1-D)T, включенного состояния силового регулирующего ключа 3.

Вследствие этого на нагрузке устанавливается выходное напряжение (n₁-n₂)V_IND(1-D). 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 8 при значительном различии величин входного (десятки вольт) и выходного (единиц или даже долей вольт) напряжений. Временная задержка передачи энергии в выходную цепь при включении силового регулирующего ключа 2 за счет линейной индуктивности 15 приводит к разнесению фронтов тока и напряжения на силовых регулирующих ключах 2 и 3, и снижению динамических потерь при их включении. Это достигается введением небольшой линейной индуктивности 15 последовательно с первичной обмоткой 7 фиг.2.

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 16 и 17 реализованные на полевых транзисторах MOSFET со схемой управления реализованной в виде обмотки 18 трансформатора 8 с последовательно включенным резистором 19, включенной между управляющими электродами MOSFET, параллельно которым включены резисторы 20, 21 фиг.3, что при необходимости не исключает использование специализированной схемы управления.

На интервале времени (1-D)T работы регулирующего ключа 3 не происходит передачи энергии в нагрузку, а наоборот происходит рекуперация энергии из выходной цепи в конденсатор 6, что сказывается на намагничивании трансформатора и может привести к его насыщению, особенно, при широком диапазоне изменений нагрузки. Это устраняется выбором числа витков первичной обмотки 7 трансформатора 8 и зазора в сердечнике трансформатора. Однако более эффективно это может быть устранено введением дополнительной обмотки намагничивания 22, включенной последовательно с индуктивностью Г-образного LC-фильтра 13 фиг.4, что практически позволяет уменьшать зазор в сердечнике трансформатора вплоть до его исключения.

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

1. Патент на изобретение РФ № 2809839 с приоритетом от 13.05.2023.

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. Цель изобретения - формирование низковольтного постоянного выходного напряжения из высоковольтного постоянного входного напряжения, уменьшение статических и динамических потерь, упрощение управления синхронными выпрямителями и оптимизация магнитных свойств трансформатора. В устройстве полумост 1, состоящий из двух последовательно включенных ключей 2 и 3, реализованных в виде полевых транзисторов MOSFET, управляющие электроды которых подключены к широтно-импульсному контроллеру 4, и двух последовательно включенных конденсаторов 5 и 6, подключен к источнику входного постоянного напряжения. В диагональ полумоста 1 включена первичная обмотка 7 трансформатора 8, началом к общей точке соединения ключей 2 и 3 полумоста, а концом к общей точке соединения конденсаторов 5 и 6 полумоста. Конец первой вторичной обмотки 9 трансформатора 8 последовательно соединен с началом второй вторичной обмотки 10, конец которой подключен к катоду диода 11, а начало второй вторичной обмотки 10 подключено к катоду диода 12, аноды диодов 11 и 12 объединены в общую точку соединения. Начало вторичной обмотки 9 трансформатора 8 и общие точки соединения анодов диодов 11 и 12 подключены к входу Г-образного LC-фильтра 13, параллельно выходным зажимам которого подключена нагрузка 14. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Низковольтный полумостовой преобразователь постоянного напряжения, содержащий полумостовой преобразователь постоянного напряжения в постоянное, трансформатор, имеющий первичную обмотку, включенную в диагональ полумостового преобразователя, подключенного к источнику постоянного входного напряжения, две вторичные обмотки трансформатора с последовательно включенными выпрямительными элементами подключены к Г-образному LC-фильтру, отличающийся тем, что две вторичные обмотки трансформатора включены последовательно и согласно и последовательно с первым выпрямительным элементом и подключены к входным зажимам Г-образного LC-фильтра, к выходным зажимам которого подключена нагрузка, второй выпрямительный элемент катодом подключен к общей точке соединения последовательно включенных вторичных обмоток, а анодом к аноду первого выпрямительного элемента.

2. Низковольтный полумостовой преобразователь постоянного напряжения по п.1, отличающийся тем, что последовательно с первичной обмоткой трансформатора включена линейная индуктивность.

3. Низковольтный полумостовой преобразователь постоянного напряжения по п.1, отличающийся тем, что выпрямительными элементами являются выпрямительные диоды.

4. Низковольтный полумостовой преобразователь постоянного напряжения по п.1, отличающийся тем, что выпрямительные элементы выполнены в виде полевых транзисторов MOSFET со схемой управления в виде обмотки трансформатора с последовательно включенным резистором, включенной между управляющими электродами полевых транзисторов MOSFET, а параллельно управляющим электродам включены резисторы.

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