Преобразователь постоянного напряжения с активным клампированием Российский патент 2025 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 преобразователи постоянного напряжения с активным клампированием [1].

Недостатком известного преобразователя постоянного напряжения с активным клампированием является необходимость использования трех выпрямительных диодов, большой величины индуктивности Г-образного LC-фильтра, что приводит к утяжелению устройства и дополнительным статическим потерям.

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, вторичную обмотку, подключённую через выпрямительные диоды ко входу LC-фильтра, к выходу которого подключена нагрузка.

Цель изобретения - формирование постоянного выходного напряжения из постоянного входного напряжения, обеспечение возможности включения силового ключа на нулевое значение тока, формирование прямоугольной формы тока через силовой регулирующий ключ, уменьшение динамических и статических потерь, уменьшение индуктивности LC-фильтра, исключение шунтирующего диода.

Поставленная цель достигается тем, что в 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, а вторичная обмотка трансформатора функционально разделена таким образом, что она функционирует на интервале времени включенного состояния силового регулирующего ключа и через первый выпрямительный диод подключена к первому выходному конденсатору C-фильтра, а затем функционирует на интервале времени выключенного состояния силового регулирующего ключа и включенного дополнительного ключа клампирующего элемента, и через второй выпрямительный диод подключена ко входу LC-фильтра, второй выходной конденсатор которого включен последовательно с первым конденсатором C-фильтра, параллельно которым включена нагрузка, а вход LC-фильтра через третий конденсатор фильтра соединен с общей точкой соединения катода первого выпрямительного диода с первым конденсатором фильтра, за счет чего исключается шунтирующий диод.

На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема выполнения предлагаемого преобразователя постоянного напряжения с активным клампированием.

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. С началом вторичной обмотки 6 трансформатора 2 соединен анод выпрямительного диода 7, катод которого подключен к одному из выводов конденсатора 8, второй вывод которого подключен к концу обмотки 6. Конец обмотки 6 подключен к одному из выводов конденсатора 9, второй вывод которого через индуктивность 10 и выпрямительный диод 11 подключен к началу вторичной обмотки 6 так, что анод выпрямительного диода 11 подключен к индуктивности 10, а катод - к началу вторичной обмотки 6. К общей точке соединения индуктивности 10 и выпрямительного диода 11 подключен конденсатор 12, второй вывод которого подключен к общей точке соединения катода выпрямительного диода 7 и конденсатора 8. Конденсаторы фильтра 8, 9 включены последовательно. Параллельно конденсаторам фильтра 8, 9 включена нагрузка 13. Управляющие электроды ключей 3, 5 подключены к широтно-импульсному контроллеру 14.

Принцип действия предлагаемого 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 прямосмещенный выпрямительный диод 7 и вторичную обмотку 6, что приводит к установлению напряжения nV_IN на конденсаторе фильтра 8, где n есть отношение числа витков обмотки 6 к числу витков обмотки 1. При этом вследствие баланса зарядов на интервалах времени DT и (1-D)T конденсатора 8 через выпрямительный диод 7 течет ток I_L/D, где I_L - ток нагрузки.

После выключения ключа 3 включается дополнительный ключ 5 клампирующего элемента и напряжение на обмотке 1 трансформатора 2 фиксируется на уровне напряжения на конденсаторе 4, равного V_IND/(1-D). Вследствие переполюсовки напряжений на всех обмотках трансформатора 2 и фиксации напряжения на первичной обмотке 1 выпрямительный диод 7 запирается, а выпрямительный диод 11 переходит в проводящее состояние. В результате этого процесса на конденсаторе 9 устанавливается напряжение nV_IND/(1-D), где n - отношение витков обмотки 6 к обмотке 1, поскольку напряжение на индуктивности 10 равно нулю вследствие того, что она включена между конденсаторами 8, 9 и 12.

Выходное напряжение на нагрузке 13 nV_IN /(1-D) определяется суммой напряжений на конденсаторах 8 и 9, включенных последовательно.

При передаче энергии в выходную цепь на интервале времени DT, включенного состояния ключа 3, протекают два процесса: один из которых связан с одновременным намагничиванием трансформатора 2 по первичной обмотке 1 от источника входного напряжения V_IN и по вторичной обмотке 6 от напряжения nV_IN на конденсаторе 8. В результате этих намагничиваний токи пропорционально линейно нарастают. Во вторичной обмотке 6 нарастание этого тока приводит к уменьшению тока через выпрямительный диод 7, находящийся в проводящем состоянии на этом интервале времени. Линейное уменьшение тока через выпрямительный диод 7 трансформируется в первичную обмотку 1 и компенсирует линейное нарастание тока по первичной обмотке 1, что приводит к прямоугольной форме тока через регулирующий ключ 3.

Второй процесс связан с моментом включения силового регулирующего ключа 3. При включении силового регулирующего ключа 3 и выключении дополнительного ключа 5 клампирующего элемента происходит переполюсовка напряжений на обмотках трансформатора 2, приводящая к выключению выпрямительного диода 11 и включению выпрямительного диода 7. Однако включение выпрямительного диода 7 происходит с временной задержкой по отношению к моменту включения регулирующего ключа 3. Эта задержка обусловлена конечным временем изменения напряжения на обмотках трансформатора 2 и положительным потенциалом на катоде выпрямительного диода 7, равного nV_IN.

Временная задержка передачи энергии в выходную цепь при включении силового регулирующего ключа 3 приводит к разнесению фронтов тока и напряжения на силовом регулирующем ключе 3 и снижению динамических потерь при его включении.

Как уже отмечалось выше, ток через силовой регулирующий ключ 3 носит прямоугольный характер, что снижает потери на силовом регулирующем ключе 3 при его выключении, поскольку ключ выключается на меньший ток.

Таким образом, предлагаемый преобразователь постоянного напряжения с активным клампированием, по сравнению с известным устройством, позволяет уменьшить число выпрямительных диодов, уменьшить величину индуктивности фильтра, поскольку напряжение на ней равно нулю, и, как следствие, уменьшить статические и динамические потери в силовом ключе при его включении и вследствие прямоугольности тока в проводящем состоянии при выключении.

1. Патент РФ №2809337 Преобразователь постоянного напряжения с активным клампированием. А.Г. Поликарпов, А.В. Поликарпов от 11.12.2023.

Преобразователь постоянного напряжения с активным клампированием относится к электротехнике и может быть использован в системах вторичного электропитания для преобразования, регулирования и стабилизации постоянного выходного напряжения, гальванически отделенного от входного постоянного напряжения. Технический результат - формирование постоянного выходного напряжения из постоянного входного напряжения, обеспечение возможности включения силового ключа на нулевое значение тока, формирование прямоугольной формы тока через силовой регулирующий ключ, уменьшение динамических и статических потерь, уменьшение индуктивности LC-фильтра, исключение шунтирующего диода. Устройство содержит трансформатор 2, начало первичной обмотки 1 которого 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. С началом вторичной обмотки 6 трансформатора 2 соединен анод выпрямительного диода 7, катод которого подключен к одному из выводов конденсатора 8, второй вывод которого подключен к концу обмотки 6. Конец обмотки 6 подключен к одному из выводов конденсатора 9, второй вывод которого через индуктивность 10 и выпрямительный диод 11 подключен к началу вторичной обмотки 6 так, что анод выпрямительного диода 11 подключен к индуктивности 10, а катод - к началу вторичной обмотки 6. К общей точке соединения индуктивности 10 и выпрямительного диода 11 подключен конденсатор 12, второй вывод которого подключен к общей точке соединения катода выпрямительного диода 7 и конденсатора 8. Конденсаторы фильтра 8, 9 включены последовательно. Параллельно конденсаторам фильтра 8, 9 включена нагрузка 13. Управляющие электроды ключей 3, 5 подключены к широтно-импульсному контроллеру 14. 1 ил.

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, вторичную обмотку с выпрямительным диодом, подключенную к LC-фильтру, отличающийся тем, что начало вторичной обмотки трансформатора через первый и второй выпрямительные диоды подключено ко входу П-образного LC-фильтра, образованного тремя конденсаторами фильтра и индуктивностью так, что первый конденсатор П-образного LC-фильтра фильтра первым полюсом подключен к катоду первого выпрямительного диода, анод которого подключен к началу вторичной обмотки, вторым полюсом - к аноду второго выпрямительного диода, катод которого подключен к началу вторичной обмотки, общая точка соединения первого конденсатора П-образного LC-фильтра с катодом первого выпрямительного диода соединена с вторым конденсатором П-образного LC-фильтра, второй полюс которого соединен с концом вторичной обмотки и первым полюсом третьего конденсатора П-образного LC-фильтра, второй полюс которого через индуктивность П-образного LC-фильтра фильтра соединен с общей точкой соединения первого конденсатора П-образного LC-фильтра с анодом второго выпрямительного диода, катод которого подключен к началу вторичной обмотки, а параллельно последовательно соединенным второму и третьему конденсаторам фильтра включена нагрузка.