Магнитно-связанный преобразователь постоянного напряжения с активным клампированием Российский патент 2025 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к 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 ко 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 магнитно-связанном 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 функционируют на интервале времени включенного состояния силового регулирующего ключа и через первый выпрямительный диод подключена к первому конденсатору, а другая, включенная согласно с первой через второй конденсатор и через третью вторичную обмотку встречно включенную первым двум с числом витков равным сумме первых двух, связана с выходным конденсатором фильтра с параллельно включенной нагрузкой, а на интервале выключенного состояния регулирующего ключа вторичные обмотки трансформатора связаны между собой и введенные конденсаторы через второй выпрямительный диод.

На фиг.1 показана принципиальная электрическая схема выполнения предлагаемого магнитно-связанного 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. Начало первой вторичной обмотки 6 трансформатора 2 через первый выпрямительный диод 7 подключено к одному из выводов первого конденсатора 8, второй вывод которого подключен к концу первой вторичной обмотки 6. Начало второй вторичной обмотки 9 трансформатора 2 соединено через второй конденсатор 10 с началом третьей вторичной обмотки 11, конец которой подключен к одному из выводов конденсатора фильтра 12, с параллельно включенной нагрузкой 13, другой вывод которого подключен к общей точке соединения первого конденсатора 8 с концом первой вторичной обмотки 6. Общая точка соединения начала третьей вторичной обмотки 11 с вторым конденсатором 10, подключена к катоду второго выпрямительного диода 14, анод которого подключен к общей точке соединения катода первого выпрямительного диода 7 с первым конденсатором 8. Управляющие электроды ключей 3, 5 подключены к широтно-импульсному контроллеру 15.

Принцип действия предлагаемого магнитно-связанного 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 первый вновь введенный конденсатор 8 и первую вторичную обмотку 6, и в нагрузку через вторичные обмотки 6,9,11 и вновь введенный второй конденсатор 10 через прямосмещенный выпрямительный диод 7. При этом на первом, вновь введенном конденсаторе 8, устанавливается напряжение n₁V_IN, где n₁ - отношение витков обмотки 6 к обмотке 1, а на втором вновь введенном конденсаторе 10, устанавливается выходное напряжение.

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 14 переходит в проводящее состояние и осуществляется передача энергии в нагрузку из первого вновь введенного конденсатора 8 и из индуктивности намагничивания трансформатора 2 по третьей вторичной обмотке 11. В результате этого процесса на выходе устанавливается выходное напряжение V_IN(n₁+n₂D)/(1-D), где n₂ - отношение витков обмотки 9 к обмотке 1. При n₁=n₂=n₃ на выходе устанавливается выходное напряжение напряжение nV_IN(1+D)/(1-D).

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 14 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 магнитно-связанный 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, сформировать прямоугольную форму тока через регулирующий ключ и обеспечить уменьшение статических и динамических потерь.

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

Магнитно-связанный 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, 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. Начало первой вторичной обмотки 6 трансформатора 2 через первый выпрямительный диод 7 подключено к одному из выводов первого конденсатора 8, второй вывод которого подключен к концу первой вторичной обмотки 6. Начало второй вторичной обмотки 9 трансформатора 2 соединено через второй конденсатор 10 с началом третьей вторичной обмотки 11, конец которой подключен к одному из выводов конденсатора фильтра 12 с параллельно включенной нагрузкой 13, другой вывод которого подключен к общей точке соединения первого конденсатора 8 с концом первой вторичной обмотки 6. Общая точка соединения начала третьей вторичной обмотки 11 с вторым конденсатором фильтра 10 подключена к катоду второго выпрямительного диода 14, анод которого подключен к общей точке соединения катода первого выпрямительного диода 7 с первым конденсатором 8. Управляющие электроды ключей 3, 5 подключены к широтно-импульсному контроллеру 15. 1 ил.

Магнитно-связанный 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 две вторичные обмотки трансформатора соединены последовательно и согласно и через второй вновь введенный конденсатор с началом третьей вторичной обмотки, включенной встречно по отношению к первым двум вторичным обмоткам, число витков которой равно сумме двух первых вторичных обмоток, второй вывод которой подключен к первому выводу конденсатора фильтра с параллельно включенной нагрузкой, второй вывод которого подключен к концу первых двух последовательно включенных вторичных обмоток, образующих общую выходную шину, а общая точка соединения первых двух вторичных обмоток подключена к аноду первого выпрямительного диода, катод которого подключен к первому выводу первого вновь введенного конденсатора, второй вывод которого подключен к общей выходной шине, а также к аноду второго выпрямительного диода, катод которого соединен с общей точкой соединения второго конденсатора с началом третьей вторичной обмотки.