Понижающий регулятор постоянного тока Российский патент 2025 года по МПК H02M3/18 

Предлагаемое изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано при создании энергоэффективных регулируемых преобразователей постоянного тока.

Известен повышающий регулятор напряжения для работы с трёхфазной нагрузкой (Патент №2806896, Российская Федерация, МПК Н02М 7/537 (2006.01), СПК Н02М 7/537 (2023.08), заявка 2023113602 от 25.05.2023, опубл. 08.11.2023, бюл. №31), содержащий входной и общий выводы для подключения входного источника постоянного тока, n цепочек, каждая из которых состоит из зарядного диода, конденсатора, дросселя, зарядного ключа, (n-1) разрядных ключей, включённых между точкой соединения зарядного ключа и дросселя предыдущей цепочки и точкой соединения зарядного диода и конденсатора последующей цепочки, разрядный ключ, включённый между точкой соединения зарядного ключа и дросселя последней цепочки и входным выводом, два двухуровневых широтно-импульсных регулятора, состоящих из диода и конденсатора, формирующих второй уровень напряжения, и двух диодов и конденсаторов, формирующих первый уровень напряжения, два регулирующих ключа, дроссели и сглаживающие конденсаторы, трёхфазную нагрузку, подключённую к второму широтно-импульсному регулятору и инвертору из двух стоек. Плавное регулирование выходного напряжения на нагрузке осуществляется с помощью изменения относительной длительности открытого состояния ключей двух широтно-импульсных регуляторов, а также с помощью ключей инвертора. Благодаря малому перепаду напряжения на ключах широтно-импульсных регуляторов снижаются динамические потери мощности при регулировании выходного напряжения. Диапазон регулирования выходного напряжения можно расширить путём подключения входов широтно-импульсных регуляторов между точками соединения зарядного диода и конденсатора трёх резонансных цепочек.

К недостаткам данного повышающего регулятора постоянного напряжения относится наличие двух широтно-импульсных регуляторов, в каждом из которых используется громоздкий дроссель, большое число ключей и резонансных цепочек.

Кроме того, известен способ регулирования выходного напряжения повышающего преобразователя постоянного напряжения (Патент №2746272, Российская Федерация, МПК Н02М 3/18 (2006.01), СПК Н02М 3/18 (2021.02), заявка 2020135310 от 28.10.2020, опубл. 12.04.2021, бюл. №11), содержащий входной, выходной и общий выводы для подключения входного источника и нагрузки, n параллельно соединённых цепочек, подключенных к входному и общему выводам, каждая из которых состоит из последовательно соединённых зарядного диода, конденсатора, дросселя и зарядного ключа, (n-1) разрядных ключей, каждый из которых подключён между точкой соединения зарядного ключа и дросселя предыдущей цепочки и точкой соединения зарядного диода и конденсатора последующей цепочки, разрядный ключ, включённый между точкой соединения зарядного ключа и дросселя последней цепочки и входного вывода, разрядный диод, включённый между точкой соединения зарядного диода и конденсатора первой цепочки и выходным выводом, нагрузку, состоящую и параллельно соединённого резистора и конденсатора, включённую между выходным и общим выводами.

Плавное регулирование выходного напряжения осуществляется путём изменения относительной длительности управляющих импульсов разрядного ключа либо совместным изменением относительной длительности управляющих импульсов зарядного и разрядного ключей последней цепочки. Нужно отметить, что для регулирования выходного напряжения не используются дополнительные каскады и устройства.

Недостатками данного способа регулирования выходного напряжения являются узкий диапазон регулирования выходного напряжения от Е до (n+1)·E, большое число ключей и резонансных цепочек.

Известен регулируемый понижающий преобразователь постоянного напряжения (Патент №2415506, Российская Федерация, МПК Н02М 3/18 (2006.01), заявка 2010111277/07 от 24.03.2010, опубл. 27.03.2011, бюл. №9), содержащий входной, выходной и общий вывод для подключения входного источника и нагрузки, n параллельно соединённых цепочек, подключённых между выходным и общим выводами, каждая из которых состоит из последовательно соединённых разрядного ключа, конденсатора, разрядного диода, n дросселей, подключённых к точке соединения разрядного ключа и конденсатора каждой цепочки, (n-1) зарядных диодов, включённых между точкой соединения конденсатора и разрядного диода предыдущей цепочки и дросселем последующей цепочки, (n-1) управляющих регулирующих элементов, каждый из которых подключён параллельно разрядным диодам, n коммутирующих элементов первой группы, каждый из которых подключён параллельно разрядным ключам, n управляющих элементов второй группы, каждый из которых соединён с дросселями цепочек, n управляющих зарядных ключей, подключённых к входному выводу, n зарядных шин, каждая из которых соединена к управляющим элементам второй группы, являющийся прототипом предлагаемого изобретения, заключающийся в изменении выходного напряжения путём периодического резонансного заряда конденсаторов от входного источника Е при последовательном соединении и последующим резонансном разряде конденсаторов на нагрузку при их параллельном соединении.

Благодаря наличию дросселей в цепях заряда конденсаторов, образующих последовательные колебательные контуры, форма зарядного тока представляет собой полуволны синусоид. При частоте коммутации ключей, равной резонансной частоте образованных последовательных колебательных контуров, включение и выключение ключей осуществляется в моменты времени, когда ток в колебательных контурах уменьшается до нуля, что приводит к снижению динамических потерь мощность в ключах.

Недостатками прототипа являются получение дискретных уровней выходного напряжения , зависящих от числа резонансных цепочек, участвующих в процессе преобразования, без плавного регулирования выходного напряжения, узкий диапазон регулирования выходного напряжения и большое количество ключей и резонансных цепочек.

Задачей (техническим результатом) является обеспечение плавного регулирования выходного напряжения понижающего преобразователя постоянного тока в широком диапазоне при меньшем числе элементов и наличии одной резонансной цепочки.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в понижающий регулятора постоянного тока, содержащий входной, выходной и общий выводы для подключения источника постоянного тока и нагрузки соответственно, одну цепочку, подключённую между входным и общим выводами, состоящую из последовательно соединённых зарядного ключа, конденсатора, дросселя, разрядного диода, зарядный диод, подключённый между точкой соединения дросселя, разрядного диода и выходным выводом, разрядный ключ, подключённый между точкой соединения зарядного ключа и верхнего вывода конденсатора цепочки и выходным выводом, нагрузку, подключённую между общим и выходным выводами, состоящую из параллельно соединённых резистора и конденсатора, введён дополнительный ключ, подключённый между точкой соединения зарядного ключа, конденсатора цепочки, разрядного ключа и точкой соединения дросселя, разрядного диода и зарядного диода, плавное изменение выходного напряжения в диапазоне от 0 до 0,5⋅Е1 (где E1 - входное напряжение, создаваемого источником постоянного тока) осуществляется изменением относительной длительности открытого состояния разрядного ключа, плавное изменение выходного напряжения в диапазоне от 0,5⋅Е1 до Е1 осуществляется с помощью изменения относительной длительности открытого состояния дополнительного ключа при наличии одной резонансной цепочки.

На Фиг.1 представлена электрическая схема понижающего регулятора постоянного тока. На Фиг.2 представлены осциллограммы токов и напряжений элементов, поясняющие принцип работы регулятора в диапазоне регулирования выходного напряжения от 0 до 0,5⋅Е1. На Фиг.3 представлена регулировочная характеристика преобразователя в диапазоне регулирования выходного напряжения от 0 до 0,5⋅Е1. На Фиг.4 представлены осциллограммы токов и напряжений элементов, поясняющие принцип работы регулятора в диапазоне регулирования выходного напряжения от 0,5⋅Е1 до Е1. На Фиг.5 представлена регулировочная характеристика преобразователя в диапазоне регулирования выходного напряжения от 0,5⋅Е1 до Е1.

Предлагаемое устройство (Фиг.1) состоит из зарядного ключа 1, конденсатора 2, дросселя 3, разрядного диода 4, дополнительного ключа 5, разрядного ключа 6, зарядного диода 7, входного вывода 8, общего вывода 9 для подключения источника, выходного вывода 10, общего вывода 11 для подключения нагрузки, нагрузки 12, выходного конденсатора 13, входного источника постоянного тока 14.

Предлагаемое устройство (Фиг.1) содержит цепочку, состоящую из последовательно соединённых зарядного ключа 1, конденсатора 2, дросселя 3, разрядного диода 4. Цепочка включена между входным выводом 8 и общим выводом 9. К выводам 8 и 9 подключён входной источник постоянного тока 14. Дополнительный ключ 5 включён между точкой соединения зарядного ключа 1, конденсатора 2 и точкой соединения дросселя 3 и разрядного диода 4. Между точкой соединения разрядного диода 4, дросселя 3, дополнительного ключа 5 и выходным выводом 10 включён зарядный диод 7. Между точкой соединения зарядного ключа 1, конденсатора 2, дополнительного ключа 5 и выходным выводом 10 включён разрядный ключ 6. К выходному выводу 10 и общему выводу 11 подключена нагрузка, представляющая собой активное сопротивление 12, и выходной конденсатор 13.

На Фиг.2, Фиг.4 введены следующие обозначения: Uу1, Uу5, Uу6 – единичные управляющие импульсы зарядного ключа 1, дополнительного ключа 5 и разрядного ключа 6 соответственно; I1, I5, I6, U1, U5, U6 – токи и напряжения ключей 1, 5, 6 соответственно; γ5, γ6 – углы управления (относительная длительность открытого состояния) ключей 5, 6 соответственно; U2, U3 – напряжения на конденсаторе 2 и дросселе 3 соответственно; I8 – ток, потребляемый от входного источника 14; U10 – напряжение на нагрузке на выводе 10 относительно общего вывода 11.

Предлагаемый регулятор работает следующим образом. В начальный момент времени при подаче управляющих импульсов открывается зарядный ключ 1, и через открывшийся зарядный диод 7, нагрузку 12 и выходной конденсатор 13 происходит резонансный заряд конденсатора 2 от входного источника 14, на верхнем выводе конденсатора 2 положительный потенциал. Поскольку резонансный заряд конденсатора 2 осуществляется при последовательном соединении с выходным конденсатором 13, то конденсатор 2 заряжается до значения напряжения 0,5⋅Е1. Параметры конденсатора 2 и дросселя 3 выбраны таким образом, что частота управляющих импульсов, поступающих на ключи, равна резонансной частоте колебательного контура, образованного конденсатором 2 и дросселем 3. Зарядный ток через зарядный ключ 1, зарядный диод 7 имеет кусочно-синусоидальную форму. После закрытия зарядного ключа 1 в момент градусов, открывается разрядный ключ 6 и заряженный конденсатор 2 до напряжения 0,5⋅Е1 верхним выводом через открывшийся разрядный ключ 6 соединяется в выходным выводом 10. Нижний вывод конденсатора 2 через дроссель 3, открывшийся разрядный диод 4 соединяется с общим выводом 11. Таким образом, к нагрузке прикладывается напряжение, равное 0,5⋅Е1. Благодаря тому, что зарядный ключ 1 и разрядный ключ 6 коммутируются в моменты времени, когда ток через них равен нулю, то в них отсутствуют динамические потери мощности. Управляющие импульсы, поступающие на ключи 1 и 6, сдвинуты друг относительно друга на 180 градусов, их коммутация осуществляется в противофазе. Угол 180 градусов соответствует моменту времени, равному половине периода управляющего импульса , угол 360 градусов соответствует периоду управляющих импульсов , где - циклическая частота.

Для получения на нагрузке напряжения меньше 0,5⋅Е1 и регулирования выходного напряжения в диапазоне от 0 до 0,5⋅Е1 зарядный ключ 1 и разрядный ключ 6 работают следующим образом, как проиллюстрировано на Фиг.2. В начальный момент времени открывается зарядный ключ 1, и через дроссель 3, открывшийся зарядный диод 7, нагрузку 12 и выходной конденсатор 13 осуществляется резонансный заряд конденсатора 2 от входного источника 14. Верхний вывод конденсатора 2 имеет положительный заряд. На этапе резонансного заряда конденсатора 2 форма тока I8, потребляемого от источника 14, имеет форму отрезка синусоиды. В момент градусов зарядный ключ 1 закрывается, и открывается разрядный ключ 6. Верхний вывод конденсатора 2 через открывшийся разрядный ключ 6 соединяется с выходным выводом 10, нижний вывод конденсатора 2 через дроссель 3, и открывшийся разрядный диод 4 прикладывается к общему выводу 11. Разрядный ток протекает по следующему контуру: от верхнего вывода конденсатора 2 через разрядный ключ 6 к нагрузке 12 и выходному конденсатору 13, через разрядный диод 4 и дроссель 3. Разрядный ключ 6 находится в открытом состоянии в интервале от 180 до (180+γ6) градусов, где γ6 – угол управления разрядного ключа 6 (относительная длительность открытого состояния разрядного ключа 6). В момент разрядный ключ 6 закрывается. Из-за того, что в ток в цепи разряда ещё не достиг нулевого значения, то на выводах дросселя 3 возникает скачок напряжения, препятствующий снижению тока в цепи разряда. Напряжение на дросселе 3 складывается с напряжением на конденсаторе 2, что в результате приводит к возникновению контура протекания тока в следующем направлении: дроссель 3, конденсатор 2, внутренний диод зарядного ключа 1, входной источник 14, разрядный диод 4. После закрытия разрядного ключа 6 в момент наблюдается импульс тока I8 противоположной полярности, что говорит о рекуперации энергии в источник 14.

На Фиг.3 приведена регулировочная характеристика понижающего преобразователя в диапазоне регулирования выходного напряжения от 0 до 0,5⋅Е1, представляющая собой зависимость коэффициента преобразования от угла управления γ6 разрядного ключа 6, полученная методом имитационного моделирования в программном пакете PSIM при входном напряжении Е1=13 В и сопротивлении нагрузки 12 Ом.

Для получения на нагрузке регулируемого напряжения в диапазоне от 0,5⋅Е1 до Е1 в работу вступает дополнительный ключ 5. В этом случае ключи работают следующим образом, как проиллюстрировано на Фиг.4. В начальный момент времени открывается зарядный ключ 1, и через дроссель 3, открывшийся зарядный диод 7 и нагрузку осуществляется резонансный заряд конденсатора 2. К моменту окончания управляющего импульса при ток в цепи заряда уменьшается до нуля, управляющий импульс с зарядного ключа 1 снимается, и он закрывается. В момент включаются дополнительный ключ 5 и разрядный ключ 6. Часть энергии заряженного конденсатора 2 через открытый ключ 5 передаётся дросселю 3. Верхний вывод заряженного конденсатора 2 имеет положительный потенциал. Дополнительный ключ 5 находится в открытом состоянии в интервале от 180 до (180+γ5) градусов, где γ5 – угол управления дополнительного ключа 5 (относительная длительность открытого состояния дополнительного ключа 5). В момент дополнительный ключ 5 выключается. Из-за того, что цепь дросселя 3 размыкается, на его выводах возникает напряжение самоиндукции: положительный потенциал на верхнем выводе и отрицательный потенциал на нижнем. В зависимости от угла управления γ5 значение напряжения самоиндукции на дросселе 3 изменяется. Напряжение самоиндукции на дросселе 3 складывается с напряжением на конденсаторе 2 и через открытый ключ 6 верхний вывод конденсатора 2 прикладывается к нагрузке к выводу 10, нижний вывод дросселя 3 через открывшийся диод 4 прикладывается к общему выводу 11. Таким образом, к нагрузке прикладывается напряжение в диапазоне от 0,5⋅Е1 до Е1. Нужно отметить, что управляющие импульсы Uу5, Uу6 поступают на дополнительный ключ 5 и разрядный ключ 6 одновременно в момент , выключение дополнительного ключа 5 и снятие управляющего импульса Uy5 происходит в момент градусов, выключение разрядного ключа 6 осуществляется после снижения тока через него до нулевого значения в момент , при этом снятие управляющего импульса Uу6 разрядного ключа 6 возможно после снижения тока через ключ 6 до нулевого значения, не позднее момента . Энергетическая эффективность понижающего регулятора постоянного тока обеспечивается режимом мягкой коммутации зарядного ключа 1, а именно его переключением в моменты времени, когда ток через него равен нулю. Для дополнительного ключа 5 режим мягкой коммутации сохраняется при включении.

На Фиг.5 приведена регулировочная характеристика понижающего преобразователя в диапазоне выходного напряжения от 0,5⋅Е1 до Е1, представляющая собой зависимость коэффициента преобразования Кп от угла управления γ5 дополнительного ключа 5, полученная методом имитационного моделирования в программном пакете PSIM при входном напряжении Е1=13 В и сопротивлении нагрузки 12 Ом. Диапазоны регулирования, полученные методом имитационного моделирования, немного сужены по причине влияния падения напряжений на открытых диодах и ключах на выходное напряжение и регулировочную характеристику.

Изобретение относится к области преобразовательной техники. Техническим результатом является обеспечение плавного регулирования выходного напряжения понижающего преобразователя постоянного тока в широком диапазоне при меньшем числе элементов и наличии одной резонансной цепочки. Для этого устройство содержит входной, выходной и общий выводы для подключения источника постоянного тока и нагрузки соответственно, одну цепочку, подключённую между входным и общим выводами, состоящую из последовательно соединённых зарядного ключа, конденсатора, дросселя, разрядного диода, зарядный диод, подключённый между точкой соединения дросселя, разрядного диода и выходным выводом, разрядный ключ, подключённый между точкой соединения зарядного ключа и верхнего вывода конденсатора цепочки и выходным выводом, нагрузку, подключённую между общим и выходным выводами, состоящую из параллельно соединённых резистора и конденсатора. Введён дополнительный ключ, подключённый между точкой соединения зарядного ключа, конденсатора цепочки, разрядного ключа и точкой соединения дросселя, разрядного диода и зарядного диода. 5 ил.

Понижающий регулятор постоянного тока, содержащий входной, выходной и общий выводы для подключения источника постоянного тока и нагрузки соответственно, одну цепочку, подключённую между входным и общим выводами, состоящую из последовательно соединённых зарядного ключа, конденсатора, дросселя, разрядного диода, зарядный диод, подключённый между точкой соединения дросселя, разрядного диода и выходным выводом, разрядный ключ, подключённый между точкой соединения зарядного ключа и верхнего вывода конденсатора цепочки и выходным выводом, нагрузку, подключённую между общим и выходным выводами, состоящую из параллельно соединённых резистора и конденсатора, отличающийся тем, что в него введён дополнительный ключ, подключённый между точкой соединения зарядного ключа, конденсатора цепочки, разрядного ключа и точкой соединения дросселя, разрядного диода и зарядного диода, плавное изменение выходного напряжения в диапазоне от 0 до 0,5⋅Е1 (E1 - входное напряжение, создаваемого источником постоянного тока) осуществляется изменением относительной длительности открытого состояния разрядного ключа, плавное изменение выходного напряжения в диапазоне от 0,5⋅Е1 до Е1 осуществляется с помощью изменения относительной длительности открытого состояния дополнительного ключа при наличии одной резонансной цепочки.