Магнитносвязанный 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.

Известны преобразователи постоянного напряжения с активным клампированием [1].

Недостатком известного преобразователя постоянного напряжение с активным клампированием является использование громоздкого, тяжелого и дорогого индуктивного компонента и третьего выпрямительного диода, выполняющего функцию шунтирующего диода, приводящего к дополнительным 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, вторичные обмотки, подключённые через выпрямительные диоды к входу Г-образного 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, исключение дросселя фильтра и шунтирующего диода.

Поставленная цель достигается тем, что в магнитносвязанном 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 вторичные обмотки трансформатора функционально разделены таким образом, что одна из них функционирует на интервале времени включенного состояния силового регулирующего ключа и через первый выпрямительный диод подключена к первому выходному конденсатору C-фильтра, а другая функционирует на интервале времени выключенного состояния силового регулирующего ключа и включенного дополнительного ключа клампирующего элемента, и через второй выпрямительный диод и вторую вторичную обмотку подключена к третье вторичной обмотке, включенной последовательно с вторым конденсатором фильтра, включенным последовательно с первым конденсатором фильтра, параллельно которым включена нагрузка, а конец первой вторичной обмотки через конденсатор соединен с концом третьей вторичной обмотки.

На фиг. 1 показана принципиальная электрическая схема выполнения предлагаемого магнитносвязанного 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. Конец первой вторичной обмотки 6 трансформатора 2 подключен к концу второй вторичной обмотки 12 через два выпрямительных диода 7 и 11, так что катод первого выпрямительного диода 7 подключен к концу первой вторичной обмотки 6, а анод к общей точке соединения с катодом второго выпрямительного диода 11, анод которого подключен к концу второй вторичной обмотки 12. Начало первой вторичной обмотки 6 трансформатора 2 подключено к одному из выводов конденсатора фильтра 8, второй вывод которого подключен к общей точке соединения первого и второго выпрямительных диодов. Начало второй вторичной обмотки 12 трансформатора 2 соединено с концом третьей вторичной обмотки 10, начало которой подключено к одному из выводов конденсатора фильтра 9, другой вывод которого подключен к общей точке соединения конденсаторов фильтра 8 и 9, общая точка соединения которых подключена к общей точке соединения выпрямительных диодов 7, 11. Конец третьей вторичной обмотки 10 через конденсатор фильтра 13 соединен с концом первой вторичной обмотки 6. Параллельно последовательно включенным конденсаторам фильтра 8, 9 включена нагрузка 14. Управляющие электроды ключей 3, 5 подключены к широтно-импульсному контроллеру 15.

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. 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, а напряжение на конденсаторе 8 определяется выражением n₁V_IN, где n₁ - отношение витков обмотки 6 к обмотке 1.

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 (n₁+n₂)V_IND/(1-D), где n₂ - отношение витков обмотки 12 к обмотке 1. Выходное напряжение V_IN(n₁+n₂D)/(1-D) на нагрузке 14 определяется суммой напряжений на конденсаторах 8 и 9, включенных последовательно. При определении выходного напряжения следует иметь в виду, что число витков первой вторичной обмотки равно числу витков третьей вторичной обмотки.

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 n₁V_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 n₁V_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. Третий конденсатор фильтра 13, среднее напряжение на котором равно выходному напряжению, позволяет исключить шунтирующий диод, обеспечить магнитную связь между первой и третьей вторичной обмотками и поддержать напряжение на конденсаторе фильтра 9 в течение времени DT включенного состояния регулирующего ключа 3.

Таким образом, предлагаемый преобразователь постоянного напряжения с активным клампированием, по сравнению с известным устройством позволяет формировать постоянное выходное напряжение из постоянного входного напряжения с исключением громоздкого, тяжелого и дорогого индуктивного компонента и шунтирующего диода и, как следствие, уменьшение статических и динамических потерь.

Литература

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

Магнитносвязанный 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, исключение дросселя фильтра и 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. Конец первой вторичной обмотки 6 трансформатора 2 подключен к концу второй вторичной обмотки 12 через два выпрямительных диода 7 и 11, так что катод первого выпрямительного диода 7 подключен к концу первой вторичной обмотки 6, а анод - к общей точке соединения с катодом второго выпрямительного диода 11, анод которого подключен к концу второй вторичной обмотки 12. Начало первой вторичной обмотки 6 трансформатора 2 подключено к одному из выводов конденсатора фильтра 8, второй вывод которого подключен к общей точке соединения первого и второго выпрямительных диодов. Начало второй вторичной обмотки 12 трансформатора 2 соединено с концом третьей вторичной обмотки 10, начало которой подключено к одному из выводов конденсатора фильтра 9, другой вывод которого подключен к общей точке соединения конденсаторов фильтра 8 и 9, общая точка соединения которых подключена к общей точке соединения выпрямительных диодов 7, 11. Конец третьей вторичной обмотки 10 через конденсатор фильтра 13 соединен с концом первой вторичной обмотки 6. Параллельно последовательно включенным конденсаторам фильтра 8, 9 включена нагрузка 14. Управляющие электроды ключей 3, 5 подключены к широтно-импульсному контроллеру 15. 1 ил.

Магнитносвязанный 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 диодами и конденсаторы фильтра, включенные последовательно, параллельно которым включена нагрузка, отличающийся тем, что вторичные обмотки трансформатора подключены между собой через два выпрямительных диода, так что катод первого выпрямительного диода подключен к концу первой вторичной обмотки, анод - к общей точке соединения с катодом второго выпрямительного диода, анод которого подключен к концу второй вторичной обмотки, начало первой вторичной обмотки подключено к первому конденсатору фильтра, общая точка соединения первого и второго конденсаторов фильтра соединена с общей точкой соединения первого и второго выпрямительных диодов, начало второй вторичной обмотки подключено к концу третьей вторичной обмотки, начало которой подключено ко второму конденсатору фильтра, а общая точка соединения второй и третьей вторичных обмоток через конденсатор соединена с концом первой вторичной обмотки.