Магнитносвязанный нерегулируемый однотактный преобразователь постоянного напряжения с активным клампированием Российский патент 2025 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к однотактным преобразователям постоянного напряжения, и может быть использовано в системах вторичного электропитания для преобразования уровня постоянного выходного напряжения, гальванически отделенного от входного постоянного напряжения.

Известны нерегулируемые преобразователи постоянного напряжения с гальваническим разделением выходного постоянного напряжения от входного постоянного напряжения [1].

Недостатком известных преобразователей постоянного входного напряжения в постоянное выходное напряжение является использование двух и более силовых ключей, двух и более выпрямительных диодов, трапецеидальная форма тока через регулирующие ключи, большие динамические потери в регулирующем ключе при его включении и выключении, возможные всплески напряжений на регулирующих ключах при их выключении.

Наиболее близок по технической сущности к предлагаемому устройству нерегулируемый преобразователь постоянного напряжения с передачей энергии в выходную цепь по двухтактной схеме [1], содержащий две первичные обмотки трансформатора, подключенные через управляемые ключи к зажимам входного источника постоянного напряжения, вторичные обмотки трансформатора, подключенные через выпрямительные диоды к емкостному фильтру, параллельно которому включена нагрузка.

Недостатки данного преобразователя состоят в том, что в нем энергия в нагрузку передается по двухтактному принципу путем использования двух ключей, трапецеидальные формы токов через ключи, значительные статические и динамические потери мощности в регулирующих ключах на интервалах времени его включения и выключения, связанные с трапецеидальной формой тока, протекающего через регулирующий ключ.

Цель изобретения - формирование требуемого уровня постоянного выходного напряжения из постоянного входного напряжения, уменьшение статических и динамических потерь.

Поставленная цель достигается тем, что в магнитносвязанном нерегулируемом однотактном преобразователе постоянного напряжения с активным клампированием начало первичной обмотки 1 трансформатор 2 соединено с положительным полюсом входного источника постоянного напряжения, а конец первичной обмотки 1 через регулирующий ключ 3 с его отрицательным полюсом. Параллельно первичной обмотке 1 трансформатора 2 включен активный клампирующий элемент, составленный из последовательно соединенных ключа 5 и конденсатора 4. С началом первой 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. Общая точка соединения катода выпрямительного диода 7 с конденсатором 8 подключена к концу второй вторичной обмотки 9, начало которой подключено к первому выводу конденсатора фильтра 10 с параллельно включенной нагрузкой 11, второй вывод которой подключен к общей точке соединения начала первой вторичной обмотки 6 с анодом выпрямительного диода 7.

На фигуре представлена принципиальная электрическая схема магнитносвязанного нерегулируемого однотактного преобразователя постоянного напряжения с активным клампированием.

В нем (фигура) начало первичной обмотки 1 трансформатор 2 соединено с положительным полюсом входного источника постоянного напряжения, а конец первичной обмотки 1 через регулирующий ключ 3 с его отрицательным полюсом. Параллельно первичной обмотке 1 трансформатора 2 включен активный клампирующий элемент, составленный из последовательно соединенных ключа 5 и конденсатора 4. С началом первой 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. Общая точка соединения катода выпрямительного диода 7 с конденсатором 8 подключена к концу второй вторичной обмотки 9, начало которой подключено к первому выводу конденсатора фильтра 10 с параллельно включенной нагрузкой 11, второй вывод которой подключен к общей точке соединения начала первой вторичной обмотки 6 с анодом выпрямительного диода 7.

Принцип действия предлагаемого магнитносвязанного нерегулируемого однотактного преобразователя постоянного 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. В этом случае на этапе замкнутого состояния DT ключа 3 происходит передача энергии в первый конденсатор 8 через прямосмещенный выпрямительный диод 7 и обмотку 6. Одновременно по обмотке 9 передается энергия в нагрузку 11. 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 nV_IN, где n - отношение витков обмотки 6 к обмотке 1.

После выключения ключа 3 на интервале времени (1-D)T напряжение на обмотках трансформатора 2 изменяет знак, а на обмотке 1, вследствие действия клампирующей цепи устанавливается напряжение V_IND/(1-D). Вследствие этого выпрямительный диод 7 закрывается и накопленная энергия в трансформаторе 2 на интервале времени DT, включенного состояния ключа 3, передается в выходную цепь по цепи 6-8-9-11-6, при этом выводится также энергия из конденсатора 8, а напряжение на конденсаторе 10, являющееся выходным напряжением и устанавливается на уровне nV_IN.

Таким образом выходное напряжение не зависит от D и, следовательно, работа устройства возможна при любом D. Однако наиболее желательный режим работы при D=0,5, так как ток через выпрямительный диод на вторичной стороне равный I_L/D равен 2I_L, напряжение на регулирующем ключе V_S =V_IN/(1-D) равно 2V_IN как и в двухтактных устройствах.

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 nV_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 регулирующего ключа 3. При включении регулирующего ключа 3, происходит переполюсовка напряжений на обмотках трансформатора и к 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 nV_IN.

Временная задержка передачи энергии в выходную цепь при включении регулирующего ключа 3 приводит к разнесению фронтов тока и напряжения на регулирующем ключе 3 и снижению динамических потерь при его включении.

Как уже отмечалось выше ток через регулирующий ключ 3 носит прямоугольный характер, что снижает потери на регулирующем ключе 3 при его выключении, поскольку ключ выключается на меньший ток.

Таким образом, предлагаемый магнитносвязанный нерегулируемый однотактный преобразователь постоянного напряжения с активным клампированием, по сравнению с известным устройством позволяет передавать энергию в нагрузку в течение всего периода T работы преобразователя, расширяя мощностные возможности, а в силу специфики передачи энергии в выходную цепь в виде импульса напряжения и импульса тока сформировать временную задержку передачи энергии в выходную цепь при включении регулирующего ключа 3 и тем самым разнести нарастание тока через регулирующий ключ и спад напряжения, что существенно снижает потери мощности на ключе при его включении, а прямоугольная форма тока, протекающего через ключ 3 снижает потери на нем при его выключении.

1. [Р. Северенс, Г. Блум Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания. “Энергоиздат”, 1988, стр. 74 рис. 4.2].

Изобретение относится к электротехнике, в частности к однотактным преобразователям постоянного напряжения, и может быть использовано в системах вторичного электропитания для преобразования уровня постоянного выходного напряжения, гальванически отделенного от входного постоянного напряжения. Цель изобретения - формирование требуемого уровня постоянного выходного напряжения из постоянного входного напряжения, уменьшение статических и динамических потерь. Устройство содержит трансформатор 2, начало первичной обмотки 1 которого соединено с положительным полюсом входного источника постоянного напряжения, а конец первичной обмотки 1 через регулирующий ключ 3 с его отрицательным полюсом. Параллельно первичной обмотке 1 трансформатора 2 включен активный клампирующий элемент, составленный из последовательно соединенных ключа 5 и конденсатора 4. С началом первой 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. Общая точка соединения катода выпрямительного диода 7 с конденсатором 8 подключена к концу второй вторичной обмотки 9, начало которой подключено к первому выводу конденсатора фильтра 10 с параллельно включенной нагрузкой 11, второй вывод которой подключен к общей точке соединения начала первой вторичной обмотки 6 с анодом выпрямительного диода 7. 1 ил.

Магнитносвязанный нерегулируемый однотактный преобразователь постоянного напряжения с активным клампированием, содержащий трансформатор, имеющий первичную обмотку, подключенную через управляемый ключ к входным выводам источника постоянного напряжения, вторичную обмотку, соединенную через выпрямительный диод с выходными зажимами конденсатора фильтра, отличающийся тем, что параллельно первичной обмотке трансформатора включен активный клампирующий элемент, составленный из ключа с последовательно включенным конденсатором, а первая вторичная обмотка трансформатора началом подключена к аноду выпрямительного диода, катод которого подключен к первому выводу конденсатора, второй вывод которого подключен к концу первой вторичной обмотки, общая точка соединения катода выпрямительного диода с конденсатором подключена к концу второй вторичной обмотки, начало которой подключено к первому выводу конденсатора фильтра с параллельно включенной нагрузкой, второй вывод которой подключен к общей точке соединения анода выпрямительного диода с началом вторичной обмотки.