Прямоходовой однотактный преобразователь постоянного напряжения с регулируемым входным напряжением 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, регулирования и стабилизации уровня постоянного выходного напряжения, гальванически отделенного от входного постоянного напряжения.

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

Недостатком известных однотактных преобразователей постоянного входного напряжения в постоянное выходное напряжение является, трапецеидальная форма тока через регулирующие ключи, большие динамические потери в регулирующем ключе при его включении и выключении.

Наиболее близок по технической сущности к предлагаемому устройству однотактный преобразователь постоянного напряжения с передачей энергии в выходную цепь на обратном ходе [1], содержащий первичную обмотку трансформатора, подключенную через управляемый ключ к зажимам конденсатора, а через выпрямительный диод и линейную индуктивность к входному источнику постоянного напряжения, и вторичную обмотку трансформатора, подключенную через выпрямительный диод к емкостному фильтру, параллельно которому включена нагрузка.

Недостатки данного преобразователя состоят в том, что в нем энергия в нагрузку передается на обратном ходе, что исключает снижение потерь при включении и выключении регулирующего ключа, трапецеидальную форму токов через ключ, значительные статические и динамические потери мощности в регулирующем ключе 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 прямоходовом однотактном преобразователе постоянного напряжения с регулируемым входным напряжением начало первичной обмотки 1 трансформатора 2 соединено с положительным полюсом первого конденсатора 3, а конец первичной обмотки 1 через регулирующий ключ 4 с его отрицательным полюсом и отрицательным полюсом источника входного постоянного напряжения. Параллельно первичной обмотке 1 трансформатора 2 включен активный клампирующий элемент, составленный из последовательно соединенных выпрямительного диода 5 и второго конденсатора 6, включенных катодом диода 5 к положительному полюсу первого конденсатора 3, а анодом к первому полюсу второго конденсатора 6, второй полюс которого подключен к общей точке соединения конца первичной обмотки 1 с регулирующим ключом 4. Общая точка соединения анода выпрямительного диода 5 со вторым конденсатором 6 подключена к первому выводу линейной индуктивности 7, второй вывод которой подключен к положительному полюсу источника входного постоянного напряжения. С началом вторичной обмотки 8 трансформатора 2 соединен анод выпрямительного диода 9, катод которого подключен к одному из выводов первого конденсатора фильтра 10, второй вывод которого подключен к концу обмотки 8. Последовательно с первым конденсатором фильтра 10, включен второй конденсатор фильтра 11, второй вывод которого подключен к аноду выпрямительного диода 12, катод которого подключен к началу вторичной обмотки 8. Параллельно двум последовательно включенным конденсаторам фильтра 10, 11, включена нагрузка 13.

На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема прямоходового однотактного преобразователя постоянного напряжения с регулируемым входным напряжением.

В нем (фиг.1) начало первичной обмотки 1 трансформатора 2 соединено с положительным полюсом первого конденсатора 3, а конец первичной обмотки 1 через регулирующий ключ 4 с его отрицательным полюсом и отрицательным полюсом источника входного постоянного напряжения. Параллельно первичной обмотке 1 трансформатора 2 включен активный клампирующий элемент, составленный из последовательно соединенных выпрямительного диода 5 и второго конденсатора 6, включенных катодом диода 5 к положительному полюсу первого конденсатора 3, а анодом к первому полюсу второго конденсатора 6, второй полюс которого подключен к общей точке соединения конца первичной обмотки 1 с регулирующим ключом 4. Общая точка соединения анода выпрямительного диода 5 с вторым конденсатором 6 подключена к первому выводу линейной индуктивности 7, второй вывод которой подключен к положительному полюсу источника входного постоянного напряжения. С началом вторичной обмотки 8 трансформатора 2 соединен анод выпрямительного диода 9, катод которого подключен к одному из выводов первого конденсатора фильтра 10, второй вывод которого подключен к концу обмотки 8. Последовательно с первым конденсатором фильтра 10, включен второй конденсатор фильтра 11, второй вывод которого подключен к аноду выпрямительного диода 12, катод которого подключен к началу вторичной обмотки 8. Параллельно двум последовательно включенным конденсаторам фильтра 10, 11, включена нагрузка 13.

Принцип действия прямоходового однотактного преобразователя постоянного напряжения с регулируемым входным напряжением 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 4. В этом случае на этапе замкнутого состояния DT ключа 4 происходит накопление энергии в линейной индуктивности 7 от источника входного постоянного напряжения и второго конденсатора 6 через регулирующий ключ 4, при этом конденсатор 6 разряжается. Одновременно по вторичной обмотке 8 передается энергия в нагрузку 11 через прямосмещенный выпрямительный диод 9. При этом вследствие баланса зарядов на интервалах времени DT и (1-D)T конденсатора 10 через выпрямительный диод 9 течет ток I_L/D, где I_L - ток нагрузки, а напряжение на конденсаторе 10, являющееся выходным напряжением, определяется выражением nV_IN(1-D)/(1-2D), где n - отношение витков обмотки 8 к обмотке 1.

После выключения ключа 4 на интервале времени (1-D)T напряжение на обмотках трансформатора 2 и линейной индуктивности 7 изменяет знак, а на обмотке 1, вследствие действия клампирующей цепи устанавливается напряжение V_IND/(1-2D), равное напряжению на конденсаторе 6, вследствие чего идет восстановление магнитных свойств трансформатора 2 и заряд конденсатора 6, которое трансформируется в выходную цепь по вторичной обмотке 8 и выпрямительному диоду 12, вследствие чего на конденсаторе фильтра 11 устанавливается напряжение V_IND/(1-2D), которое в сумме с напряжением на конденсаторе фильтра 10 формирует выходное напряжение на нагрузке равное nV_IN/(1-2D). Одновременно через включенный выпрямительный диод 5 идет выведение энергии из линейной индуктивности 7, накопленной за время DT включенного состояния регулирующего ключа 4 в конденсаторе 3 и его заряд, вследствие чего на нем устанавливается напряжение V_IN(1-D)/(1-2D).

При передаче энергии в выходную цепь на интервале времени DT, включенного состояния ключа 4, протекают два процесса: один из которых связан с одновременным намагничиванием трансформатора 2 по первичной обмотке 1 от напряжения на конденсаторе 3 и по вторичной обмотке 8 от напряжения на конденсаторе 10. В результате этих намагничиваний токи пропорционально линейно нарастают. Во вторичной обмотке 8 нарастание этого тока приводит к уменьшению тока через выпрямительный диод 9, находящийся в проводящем состоянии на этом интервале времени. Линейное уменьшение тока через выпрямительный диод 9 трансформируется в первичную обмотку 1 и компенсирует линейное нарастание тока по первичной обмотке 1, что приводит к прямоугольной форме тока через регулирующий ключ 4.

Второй процесс связан с моментом включения регулирующего ключа 4. При включении регулирующего ключа 4, происходит переполюсовка напряжений на обмотках трансформатора и к включению выпрямительного диода 9. Однако включение выпрямительного диода 9 происходит с временной задержкой по отношению к моменту включения регулирующего ключа 4. Эта задержка обусловлена конечным временем изменения напряжения на обмотках трансформатора 2 и положительным потенциалом на катоде выпрямительного диода 9 равного V_IN(1-D)/(1-2D).

Временная задержка передачи энергии в выходную цепь при включении регулирующего ключа 4 приводит к разнесению фронтов тока и напряжения на регулирующем ключе 4 и снижению динамических потерь при его включении.

Как уже отмечалось выше ток через регулирующий ключ 4 носит прямоугольный характер, что снижает потери на регулирующем ключе 4 при его выключении, поскольку ключ выключается на меньший ток.

Таким образом, предлагаемый прямоходовой однотактный преобразователь постоянного напряжения с регулируемым входным напряжением, по сравнению с известным устройством позволяет передавать энергию в нагрузку в течение всего периода и в силу специфики передачи энергии в выходную цепь в виде импульса напряжения сформировать временную задержку передачи энергии в выходную цепь при включении регулирующего ключа 4 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 4 снижает потери на нем при его выключении.

1. [Поликарпов А.Г., Сергиенко Е.Ф. Однотактные преобразователи в устройствах электропитания РЭА, “Радио и связь”, 1989, стр. 95 рис. 3.24(б)].

Изобретение относится к электротехнике, в частности к однотактным преобразователям постоянного напряжения, и может быть использовано в системах вторичного электропитания для преобразования, регулирования и стабилизации 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 первого конденсатора 3, а конец первичной обмотки 1 через регулирующий ключ 4 с его отрицательным полюсом и отрицательным полюсом источника входного постоянного напряжения. Параллельно первичной обмотке 1 трансформатора 2 включен клампирующий элемент, составленный из последовательно соединенных выпрямительного диода 5 и второго конденсатора 6, включенных катодом диода 5 к положительному полюсу первого конденсатора 3, а анодом к первому полюсу второго конденсатора 6, второй полюс которого подключен к общей точке соединения конца первичной обмотки 1 с регулирующим ключом 4. Общая точка соединения анода выпрямительного диода 5 со вторым конденсатором 6 подключена к первому выводу линейной индуктивности 7, второй вывод которой подключен к положительному полюсу источника входного постоянного напряжения. С началом вторичной обмотки 8 трансформатора 2 соединен анод выпрямительного диода 9, катод которого подключен к одному из выводов первого конденсатора фильтра 10, второй вывод которого подключен к концу обмотки 8. Последовательно с первым конденсатором фильтра 10 включен второй конденсатор фильтра 11, второй вывод которого подключен к аноду выпрямительного диода 12, катод которого подключен к началу вторичной обмотки 8. Параллельно двум последовательно включенным конденсаторам фильтра 10, 11, включена нагрузка 13. 1 ил.

Прямоходовой однотактный преобразователь постоянного напряжения с регулируемым входным напряжением, содержащий трансформатор, имеющий первичную обмотку, конец которой подключен через управляемый ключ к одному полюсу первого конденсатора, второй полюс которого подключен к общей точке соединения начала первичной обмотки и катода выпрямительного диода, анод которого через линейную индуктивность подключен к входному источнику постоянного напряжения, вторичную обмотку, соединенную через выпрямительный диод с выходными зажимами конденсатора фильтра, отличающийся тем, что параллельно первичной обмотке трансформатора включен клампирующий элемент, составленный из выпрямительного диода с последовательно включенным вторым конденсатором, включенных таким образом, что один полюс второго конденсатора подключен к концу первичной обмотки, а другой к общей точке соединения анода выпрямительного диода с линейной индуктивностью, при этом вторичная обмотка трансформатора началом подключена к аноду первого выпрямительного диода, катод которого подключен к первому выводу конденсатора фильтра, второй вывод которого подключен к концу вторичной обмотки, последовательно с первым конденсатором фильтра включен второй конденсатор фильтра, второй вывод которого подключен к аноду второго выпрямительного диода, катод которого подключен к началу вторичной обмотки, параллельно двум последовательно включенным конденсаторам фильтра включена нагрузка.