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 отсутствие возможности уменьшения тока через первый выпрямительный диод на интервале времени его проводящего состояния, что приводит к дополнительным потерям в полупроводниковых приборах.

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 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 статических и динамических потерь, а также тока через первый выпрямительный диод.

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 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, совместно с первой вторичной обмоткой 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, выходной конденсатор которого включен последовательно с первым конденсатором C-фильтра, параллельно которым включена нагрузка, а вход LC-фильтра через третий шунтирующий диод, анод которого подключен к общей точке соединения анода второго выпрямительного диода с индуктивностью LC-фильтра, а катод с общей точкой соединения катода первого выпрямительного диода с первым конденсатором фильтра.

На фигуре представлена принципиальная электрическая схема выполнения предлагаемого высокоэффективного преобразователя постоянного напряжения с активным клампированием.

В нем (фигура) 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, анод которого подключен к индуктивности 10, а катод к началу второй вторичной обмотки 12, конец которой соединён с началом первой вторичной обмотки 6. К общей точке соединения индуктивности 10 и выпрямительного диода 11 подключен анод шунтирующего диода 13, катод которого подключен к общей точке соединения катода первого выпрямительного диода 7 с конденсатором фильтра 8 последовательно включенного с конденсатором фильтра 9, параллельно которым 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, что приводит к установлению напряжения n₁V_IN на конденсаторе фильтра 8, где n₁ - 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 должен был бы течь ток I_L/D, где I_L - ток нагрузки, однако вследствие протекания встречного тока равного I_L по цепи индуктивность 10 - шунтирующий диод 13 - выпрямительный диод 7 - вторичная обмотка 6 - конденсатор фильтра 9 - индуктивность 10, через выпрямительный диод 7 течет ток I_L(1-D)/D, меньший тока I_L/D.

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 и шунтирующий диод 13 запираются, а выпрямительный диод 11 переходит в проводящее состояние. В результате этого процесса на конденсаторе 9 устанавливается напряжение (n₂ - n₁)V_IND, где n₂ - отношение числа суммы витков обмоток 6 и 12 к обмотке 1, из которого следует, что при n₂ = n₁ регулирование выходного напряжения невозможно. Выходное напряжение на нагрузке 14 V_IN [n₁+(n₂-n₁D)] 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 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, включению шунтирующего диода 13 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.

Таким образом, предлагаемый высокоэффективный преобразователь постоянного напряжения с активным клампированием, по сравнению с известным устройством позволяет формировать постоянное выходное напряжение из постоянного входного напряжения с уменьшением динамических потерь, обеспечивая возможность включения силового ключа на нулевое значение тока и, как следствие, уменьшение динамических потерь в силовом ключе при его включении и вследствие прямоугольности тока в проводящем состоянии при выключении, а также уменьшение тока через выпрямительный диод 7, передающий мощность на интервале времени включенного состояния регулирующего ключа.

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. 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. 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, анод которого подключен к индуктивности 10, а катод к началу второй вторичной обмотки 12, конец которой соединён с началом первой вторичной обмотки 6. К общей точке соединения индуктивности 10 и выпрямительного диода 11 подключен анод шунтирующего диода 13, катод которого подключен к общей точке соединения катода первого выпрямительного диода 7 с конденсатором фильтра 8, последовательно включенного с конденсатором фильтра 9, параллельно которым включена нагрузка 14. Управляющие электроды ключей 3, 5 подключены к широтно-импульсному контроллеру 15. 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, две вторичные обмотки с выпрямительными диодами, подключенные к LC-фильтру, отличающийся тем, что две вторичные обмотки трансформатора включены последовательно и согласно, общая точка соединения начала первой и конца второй вторичной обмотки подключена к аноду первого выпрямительного диода, катод которого подключен к первому зажиму первого конденсатора фильтра, второй зажим которого подключен к концу первой вторичной обмотки, начало второй вторичной обмотки подключено к катоду второго выпрямительного диода, анод которого подключен к индуктивности фильтра, подключенной ко второму зажиму второго конденсатора фильтра, а общая точка соединения первого и второго конденсаторов фильтра подключена к концу первой вторичной обмотки, при этом катод первого выпрямительного диода соединен с анодом второго выпрямительного диода через третий шунтирующий диод, подключенный катодом к катоду первого выпрямительного диода, анодом к аноду второго выпрямительного диода, а первый и второй конденсаторы фильтров включены последовательно, параллельно которым включена нагрузка.