Корректор коэффициента мощности с оптимизированным блоком стабилизации постоянного выходного напряжения Российский патент 2025 года по МПК H02M7/21 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразователям переменного напряжения в постоянное напряжение, и может быть использовано в системах вторичного электропитания для коррекции коэффициента мощности, преобразования, регулирования и стабилизации постоянного выходного напряжения.

Известны преобразователи переменного напряжения в постоянное напряжение с подключением нагрузки через выпрямительные диоды и сглаживающий емкостной фильтр [1].

Недостатком известных преобразователей переменного напряжения в постоянное напряжение является отсутствие формирования тока, потребляемого от входного синусоидального напряжения, пропорционального этому напряжению, а также стабилизации постоянного выходного напряжения.

Наиболее близок по технической сущности к предлагаемому устройству преобразователь переменного синусоидального напряжения в постоянное выходное напряжение, содержащий первичную обмотку трансформатора, подключенную через встречно-последовательные управляемые ключи к зажимам источника переменного синусоидального напряжения, вторичную обмотку трансформатора, подключенную через выпрямительные диоды к емкостному фильтру и нагрузке [1].

Недостатки этого преобразователя напряжения состоят в том, что в нем отсутствует коррекция коэффициента мощности и стабилизация постоянного выходного напряжения.

Цель изобретения - формирование тока пропорционального и синфазного переменному входному напряжению, формирование постоянного выходного напряжения и его стабилизация, уменьшение динамических потерь при включении ключей.

Поставленная цель достигается тем, что в корректоре коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного напряжения к первичной обмотке трансформатора включённой последовательно с источником переменного напряжения и встречно-последовательными управляемыми ключами, параллельно которой включен клампирующий элемент, составленный из встречно-последовательных управляемых ключей и конденсатора, введены две вторичные обмотки, которые через выпрямительные диоды подключены к Г-образному LC-фильтру, последовательно с которым включен понижающий регулятор напряжения с непрерывным потреблением и передачей энергии в нагрузку, управление которым осуществляется цепью обратной связи реализованной в виде широтно-импульсного контроллера.

На фиг.1 и 2 показаны принципиальные электрические схемы вариантов выполнения предлагаемого корректора коэффициента мощности с оптимизированным блоком стабилизации постоянного выходного напряжения. На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема корректора коэффициента мощности с оптимизированным блоком стабилизации постоянного выходного напряжения; на фиг.2 представлена принципиальная электрическая схема корректора коэффициента мощности с оптимизированным блоком стабилизации постоянного выходного напряжения с введением дополнительной линейной индуктивности последовательно с первичной обмоткой трансформатора.

В нем (фиг.1) начало первичной обмотки 1 трансформатора 2 соединено с первым полюсом входного источника переменного напряжения, а конец первичной обмотки 1 через управляемый встречно-последовательный ключ 3 подключен ко второму полюсу входного источника переменного напряжения. Параллельно первичной обмотке 1 включен встречно-последовательный управляемый ключ 4 с последовательно включенным конденсатором 5. Две вторичные обмотки 6 и 7 трансформатора 2 объединены в общую точку началом обмотки 6 и концом обмотки 7, конец обмотки 6 подключен к катоду диода 8, а начало обмотки 7 подключено к катоду диода 9, аноды которых объединены в общую точку соединения. Общая точка соединения обмоток 6,7 подключена к первому полюсу Г-образного LC-фильтра 10, а общая точка соединения анодов 8,9 подключена к второму полюсу Г-образного LC-фильтра. Параллельно выходным зажимам Г-образного LC-фильтра 10, включен понижающий регулятор с магнитно-связанным магнитным элементом 11. Первый полюс конденсатора Г-образного LC-фильтра 10 через линейную индуктивность подключен к началу первой обмотки понижающего регулятора с магнитно-связанным магнитным элементом 11, а второй полюс конденсатора Г-образного LC-фильтра 10 подключен к началу второй обмотки понижающего регулятора с магнитно-связанным магнитным элементом 11. К выходным зажимам понижающего регулятора с магнитно-связанным магнитным элементом 11 подключен управляющий контроллер 12 широтно-импульсного типа, который управляет регулирующим транзистором понижающего регулятора 11. Параллельно дополнительной обмотке 15 трансформатора 2 включена линейная индуктивность 16. На фиг.2 последовательно первичной обмотке 1 трансформатора 2 включена линейная индуктивность 17.

Принцип действия предлагаемого корректора коэффициента мощности с оптимизированным блоком стабилизации постоянного выходного напряжения 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.

Допустим, что в момент рассмотрения работы преобразователя переменного напряжения в постоянное напряжение от источника переменного напряжения поступает положительная полуволна синусоидального напряжения. В этом случае на этапе замкнутого состояния DT ключа 3 полевой транзистор (MOSFET) ключа 3 работает в нормальном ключевом режиме (в рассматриваемом случае верхний), а второй (нижний) в режиме синхронного выпрямителя. На этом промежутке времени происходит передача энергии в нагрузку через прямосмещенный выпрямительный диод 8 и вторичную обмотку 6.

После выключения ключа 3 на интервале времени (1-D)T включается встречно-последовательный управляемый ключ клампирующего элемента 4 с последовательно включенным конденсатором 5, что приводит к переполюсовке напряжений на обмотках трансформатора 2, выключению диода 8 и включению диода 9, и передачи энергии в нагрузку через обмотку 7 и диод 9. Напряжение на конденсаторе 5 изменяется по закону VD/(1-D), а энергия во вторичную цепь поступает из индуктивности намагничивания трансформатора 2.

При изменении полярности источника входного напряжения все описанные выше процессы повторяются с той лишь разницей, что теперь на интервале времени DT энергия во вторичную цепь передается через обмотку 7 и прямосмещенный диод 9, а на интервале (1-D)T через обмотку 6 и диод 8.

Введение небольшой линейной индуктивности 17 последовательно с первичной обмоткой 1 (фиг.2), позволяет обеспечить переключение ключей 3,4 при нулевом напряжении на них и тем самым уменьшить динамические потери на них при включении.

Ведение дополнительной обмотки 15 трансформатора 2 с параллельно включенной линейной индуктивностью 16 позволяет ослабить жесткую связь величины индуктивности намагничивания трансформатора 2 с числом витков первичной обмотки 1, геометрическим размером магнитопровода и зазором трансформатора, что расширяет диапазон изменений входного напряжения.

Величины временных интервалов DT и (1-D)T устанавливаются фиксированными, и в процессе работы корректора коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного напряжения не изменяются, тем самым фиксируя максимальную передаваемую мощность в нагрузку.

Поддержание постоянного выходного напряжения в нагрузке осуществляется с помощью понижающего регулятора 11 [2], отличительной особенностью которого является непрерывное потребление и передача энергии в нагрузку, и этим свойством он является аналогом резистивной нагрузки. Обратная связь, реализованная в виде широтно-импульсного контроллера, воздействует на регулирующий транзистор регулятора 11, обеспечивая поддержание постоянного выходного напряжения с заданной точностью.

Таким образом, предлагаемый корректор коэффициента мощности с оптимизированным блоком стабилизации постоянного выходного напряжения позволяет по сравнению с известным устройством осуществить формирование тока пропорционального и синфазного переменному входному напряжению, формирование постоянного выходного напряжения и его стабилизацию, уменьшение динамических потерь при включении ключей.

Источники информации

1. Патент на изобретение РФ № 2802914 с приоритетом от 02.02.2023.

2. Авторское свидетельство СССР №1598073 «Импульсный регулятор постоянного напряжения» А.Г. Поликарпов, Е.Ф. Сергиенко с приоритетом от 05.12.1988.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразователям переменного напряжения в постоянное напряжение, и может быть использовано в системах вторичного электропитания для коррекции коэффициента мощности, преобразования, регулирования и стабилизации постоянного выходного напряжения. Технический результат - формирование тока, пропорционального и синфазного переменному входному напряжению, формирование постоянного выходного напряжения и его стабилизация, уменьшение динамических потерь при включении ключей. Устройство содержит регулирующий ключ 3, реализованный в виде встречно-последовательного включения полевых транзисторов (MOSFET), управляющие электроды которых объединены в общую точку, подключенную к цепи управления 13, силовой трансформатор 2, первичная обмотка 1 которого через регулирующий ключ 3 подключена к источнику переменного напряжения. Параллельно первичной обмотке трансформатора 2 включен клампирующий элемент 4, составленный из последовательного включения конденсатора 5 и встречно-последовательного включения полевых транзисторов (MOSFET), управляющие электроды которых объединены в общую точку, подключенную к цепи управления 14. Две вторичные обмотки 6 и 7 трансформатора 2 объединены в общую точку началом обмотки 6 и концом обмотки 7, конец обмотки 6 подключен к катоду диода 8, а начало обмотки 7 подключено к катоду диода 9, аноды которых объединены в общую точку соединения. Общая точка соединения обмоток 6, 7 подключена к первому полюсу Г-образного LC-фильтра 10, а общая точка соединения анодов 8, 9 подключена к второму полюсу Г-образного LC-фильтра. Параллельно выходным зажимам Г-образного LC-фильтра 10 включен понижающий регулятор с магнитно-связанным магнитным элементом 11. Первый полюс конденсатора Г-образного LC-фильтра 10 через линейную индуктивность подключен к началу первой обмотки понижающего регулятора с магнитно-связанным магнитным элементом 11, а второй полюс конденсатора Г-образного LC-фильтра 10 подключен к началу второй обмотки понижающего регулятора с магнитно-связанным магнитным элементом 11. К выходным зажимам понижающего регулятора с магнитно-связанным магнитным элементом 11 подключен управляющий контроллер 12 широтно-импульсного типа, который управляет регулирующим транзистором понижающего регулятора 11. Параллельно дополнительной обмотке 15 трансформатора 2 включена линейная индуктивность. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Корректор коэффициента мощности с оптимизированным блоком стабилизации постоянного выходного напряжения, содержащий электромагнитный элемент, имеющий первичную обмотку, подключенную через встречно-последовательный ключ на полевых транзисторах типа MOSFET к выходным выводам источника переменного напряжения, первый и второй выпрямительные диоды, соединенные с выходными зажимами конденсаторов фильтра, и управляющий контроллер, отличающийся тем, что электромагнитный элемент выполнен в виде трансформатора, содержащего две вторичные обмотки с противофазным включением, объединенные в первую общую точку соединения, противоположные выводы которых соединены с последовательно включенными диодами, аноды которых объединены во вторую общую точку соединения, общие точки подключены к входу Г-образного LC-фильтра, а параллельно первичной обмотке трансформатора включен клампирующий элемент, составленный из последовательно соединенных конденсатора и встречно-последовательного ключа на полевых транзисторах типа MOSFET, и понижающий регулятор с магнитно-связанным магнитным элементом с непрерывным потреблением и передачей энергии в нагрузку, подключенный параллельно выходным зажимам Г-образного LC-фильтра, начало первой обмотки которого через линейную индуктивность подключено к первому полюсу конденсатора Г-образного LC-фильтра, а начало второй обмотки которого подключено к второму полюсу конденсатора Г-образного LC-фильтра.

2. Корректор коэффициента мощности с оптимизированным блоком стабилизации постоянного выходного напряжения по п. 1, отличающийся тем, что понижающий регулятор с непрерывным потреблением и передачей энергии в нагрузку охвачен обратной связью контроллером с широтно-импульсным регулированием.

3. Корректор коэффициента мощности с оптимизированным блоком стабилизации постоянного выходного напряжения по п. 1, отличающийся тем, что встречно-последовательные ключи управляются контроллером постоянной длительности.

4. Корректор коэффициента мощности с оптимизированным блоком стабилизации постоянного выходного напряжения по п. 1, отличающийся тем, что последовательно с первичной обмоткой трансформатора включена линейная индуктивность.

5. Корректор коэффициента мощности с оптимизированным блоком стабилизации постоянного выходного напряжения по п. 1, отличающийся тем, что введена дополнительная обмотка трансформатора, параллельно которой включена линейная индуктивность.