Магнитносвязанный корректор коэффициента мощности с оптимизированным блоком стабилизации постоянного выходного напряжения Российский патент 2025 года по МПК H02M7/25 

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 оптимизации блока 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].

Недостатком этого преобразователя напряжения является то, что в нем отсутствует оптимизация блока стабилизации постоянного выходного напряжения.

Цель изобретения - оптимизация блока формирования постоянного выходного напряжения и его стабилизация.

Поставленная цель достигается тем, что в магнитносвязанный корректор коэффициента мощности с оптимизированным блоком стабилизации постоянного выходного напряжения введен понижающий регулятор с магнитносвязанным двухобмоточным магнитным элементом с непрерывным потреблением и передачей энергии в нагрузку, управление которым осуществляется цепью обратной связи, реализованной в виде широтно-импульсного контроллера.

На фиг. 1, 2 и 3 показаны принципиальные электрические схемы вариантов выполнения предлагаемого магнитносвязанного корректора коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного напряжения. На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема магнитносвязанного корректора коэффициента мощности с оптимизированным блоком стабилизации постоянного выходного напряжения; на фиг. 2 представлена принципиальная электрическая схема магнитносвязанного корректора коэффициента мощности с оптимизированным блоком стабилизации постоянного выходного напряжения с введением дополнительной линейной индуктивности последовательно с первичной обмоткой трансформатора; на фиг. 3 представлена принципиальная электрическая схема магнитносвязанного корректора коэффициента мощности с оптимизированным блоком стабилизации постоянного выходного напряжения с подключением клампирующего элемента, составленного из встречно последовательных управляемых ключей с последовательно включенным конденсатором к вспомогательной обмотке 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, реализованный в виде встречно последовательного включения полевых транзисторов (MOSFET), управляющие электроды которых объединены в общую точку, подключенную к цепи управления 15, подключен ко второму полюсу входного источника переменного напряжения. Параллельно встречно последовательному ключу 3 включена последовательно с конденсатором 5 вторая магнитносвязанная обмотка 4, противофазная первой обмотке. Параллельно второй противофазной обмотке 4, последовательно с включенным конденсатором 6 включен встречно последовательный управляемый ключ 7, реализованный в виде встречно последовательного включения полевых транзисторов (MOSFET), управляющие электроды которых объединены в общую точку, подключенную к цепи управления 16. Две вторичные обмотки 8 и 9 трансформатора 2 объединены в общую точку соединения началом обмотки 8 и концом обмотки 9, конец обмотки 8 подключен к катоду диода 10, а начало обмотки 9 подключено к катоду диода 11, аноды которых объединены в общую точку соединения. Общая точка соединения обмоток 8, 9 подключена к первому полюсу Г-образного LC-фильтра 12, а общая точка соединения анодов 10, 11 подключена к второму полюсу Г-образного LC-фильтра. Параллельно выходным зажимам Г-образного LC-фильтра 12, включен понижающий регулятор с магнитносвязанным магнитным элементом 13. Первый полюс конденсатора Г-образного LC-фильтра 12 через линейную индуктивность подключен к началу первой обмотки понижающего регулятора с магнитносвязанным магнитным элементом 13, а второй полюс конденсатора Г-образного LC-фильтра 12 подключен к началу второй обмотки понижающего регулятора с магнитносвязанным магнитным элементом 13. К выходным зажимам понижающего регулятора с магнитносвязанным магнитным элементом 13 подключен управляющий контроллер 14 широтно-импульсного типа, который управляет регулирующим транзистором понижающего регулятора 13. Параллельно дополнительной обмотке 17 трансформатора 2 включена линейная индуктивность 18.

На фиг. 2 последовательно первичной обмотке 1 трансформатора 2 включена линейная индуктивность 19.

Принцип действия предлагаемого магнитносвязанного 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 10 и вторичную обмотку 8.

После выключения ключа 3 на интервале времени (1-D)T включается встречно последовательный управляемый ключ клампирующего элемента 7 с последовательно включенным конденсатором 6, что приводит к переполюсовке напряжений на обмотках трансформатора 2, выключению диода 10 и включению диода 11, и передачи энергии в нагрузку через обмотку 9 и диод 11. Напряжение на конденсаторе 6 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 9 и прямосмещенный диод 11, а на интервале (1-D)T через обмотку 8 и диод 10.

Использование магнитносвязанной цепи, обусловленной обмотками 1,4 позволяет существенно увеличить дифференциальную индуктивность обмоток (для пульсаций тока), которая описывается для обмотки 1 выражением и для обмотки 4 выражением . В этих выражениях L₁₁=L_μ1+L_S1 - индуктивность намагничивания трансформатора 2 по обмотке 1 с учетом индуктивности рассеяния, а L₂₂=L_μ2+L_S2 - индуктивность намагничивания трансформатора 2 по обмотке 1 с учетом индуктивности рассеяния, где - коэффициент связи между обмотками 1 и 4 всегда меньше или равен единице, а - коэффициент трансформации между обмотками 1 и 4. В нашем случае важна величина L_ЭФФ1, которая при k=n равна бесконечности и тем самым исключаются пульсации тока непрерывного и синфазного с входным переменным напряжением. При равенстве числа витков обмоток 1, 4 желательная величина L_ЭФФ1 достигается включением небольшой индуктивности 19 последовательно с обмоткой 1.

Ведение дополнительной обмотки 17 трансформатора 2 с параллельно включенной линейной индуктивностью 18 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 магнитносвязанного 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 с магнитносвязанным магнитным элементом 13 [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 14, воздействует на регулирующий транзистор регулятора с магнитносвязанным магнитным элементом 13, обеспечивая поддержание постоянного выходного напряжения с заданной точностью.

Клампирующий элемент, составленный из встречно последовательного включения полевых транзисторов (MOSFET) ключа 7 и последовательно включенного конденсатора 6, может быть включен параллельно любой обмотке трансформатора, в том числе дополнительно введенной обмотки трансформатора 2, например, обмотки 17. При этом могут быть использованы низковольтные транзисторы ключи 7, а их управление может осуществляться относительно общей шины, входной или выходной цепи.

Таким образом, предлагаемый магнитносвязанный корректор коэффициента мощности с оптимизированным блоком стабилизации постоянного выходного напряжения позволяет, по сравнению с известным устройством, осуществить оптимизацию блока формирования постоянного выходного напряжения и его стабилизацию.

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 - оптимизация блока формирования постоянного выходного напряжения и его стабилизация. Устройство содержит силовой регулирующий ключ 3, реализованный в виде встречно последовательного включения полевых транзисторов (MOSFET), управляющие электроды которых объединены в общую точку, подключенную к цепи управления 15. Силовой трансформатор 2, первичная обмотка 1 которого через регулирующий ключ 3 подключена к источнику переменного напряжения. Параллельно регулирующему ключу 3 включена магнитносвязанная с обмоткой 1 обмотка 4, противофазная обмотке 1, с последовательно включенным конденсатором 5. Параллельно обмотке 4 трансформатора 2 включен клампирующий элемент, составленный из последовательного включения конденсатора 6 и встречно последовательного включения полевых транзисторов (MOSFET) ключа 7, управляющие электроды которых объединены в общую точку, подключенную к цепи управления 16. Две вторичные обмотки 8 и 9 трансформатора 2 объединены в общую точку началом обмотки 8 и концом обмотки 9, конец обмотки 8 подключен к катоду диода 10, а начало обмотки 9 подключено к катоду диода 11, аноды которых объединены в общую точку соединения. Общая точка соединения обмоток 8, 9 подключена к первому полюсу Г-образного LC-фильтра 12, а общая точка соединения анодов 10, 11 подключена к второму полюсу Г-образного LC-фильтра. Параллельно выходным зажимам Г-образного LC-фильтра 12 включен понижающий регулятор с магнитносвязанным магнитным элементом 13. Первый полюс конденсатора Г-образного LC-фильтра 12 через линейную индуктивность подключен к началу первой обмотки понижающего регулятора с магнитносвязанным магнитным элементом 13, а второй полюс конденсатора Г-образного LC-фильтра 12 подключен к началу второй обмотки понижающего регулятора с магнитносвязанным магнитным элементом 13. К выходным зажимам понижающего регулятора с магнитносвязанным магнитным элементом 13 подключен управляющий контроллер 14 широтно-импульсного типа, который управляет регулирующим транзистором понижающего регулятора 13. Параллельно дополнительной обмотке 17 трансформатора 2 включена линейная индуктивность 18. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Магнитносвязанный корректор коэффициента мощности с оптимизированным блоком стабилизации постоянного выходного напряжения, содержащий электромагнитный элемент, имеющий первичную обмотку, подключенную через встречно последовательный ключ, выполненный 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, в котором введена вторая первичная обмотка, противофазная первой первичной обмотке, и с последовательно включенным конденсатором включена параллельно встречно последовательному ключу, выполненному на полевых транзисторах типа MOSFET, две вторичные обмотки трансформатора с противофазным включением объединены в общую точку соединения, противоположные выводы которых последовательно подключены к диодам, аноды которых соединены во вторую общую точку соединения, и общие точки соединения подключены к входным зажимам Г-образного LC-фильтра, при этом введены клампирующий элемент, подключенный параллельно одной из обмоток трансформатора и составленный из последовательно соединенных второго конденсатора и второго встречно последовательного ключа, выполненного на полевых транзисторах типа MOSFET, и понижающий регулятор с магнитносвязанным 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 ко второму полюсу конденсатора Г-образного LC-фильтра.

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

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

4. Магнитносвязанный корректор коэффициента мощности с оптимизированным блоком стабилизации постоянного выходного напряжения по п.1, отличающийся тем, что встречно последовательные ключи клампирующего элемента и силового регулирующего ключа управляются контроллером постоянной длительности.

5. Магнитносвязанный корректор коэффициента мощности с оптимизированным блоком стабилизации постоянного выходного напряжения по п.1, отличающийся тем, что параллельно дополнительной обмотке трансформатора включена линейная индуктивность.

6. Магнитносвязанный корректор коэффициента мощности с оптимизированным блоком стабилизации постоянного выходного напряжения по п.1, отличающийся тем, что клампирующий элемент, составленный из последовательного соединенных конденсатора и встречно последовательного ключа, выполненного на полевых транзисторах типа MOSFET, подключен к дополнительной обмотке трансформатора, а управление ключами осуществляется относительно общей шины входной или выходной цепи.