Преобразователь постоянного напряжения с активным клампированием Российский патент 2025 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к электротехнике, в частности 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 напряжения.

Известны преобразователи постоянного напряжения с активным клампированием [1].

Недостатком известного преобразователя постоянного напряжения с активным клампированием является необходимость использования зазора в сердечнике трансформатора, что приводит к потерям мощности как в самом трансформаторе, так и в ключевых элементах преобразователя постоянного напряжения с активным клампированием, а также к увеличению размеров трансформатора.

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, исключение зазора в сердечнике трансформатора и уменьшение статических потерь мощности.

Поставленная цель достигается тем, что в 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, при этом две вторичные обмотки началом и концом объединены в общую точку соединения, а вторым концом и началом подключены к катодам двух выпрямительных диодов, аноды которых объединены в общую точку соединения и подключены к входным зажимам Г-образного LC-фильтра, к выходным зажимам которого подключена нагрузка.

На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема 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 соединено с концом второй вторичной обмотки 7. Конец первой вторичной обмотки 6 подключен к катоду диода 8, а начало второй вторичной обмотки 7 подключено к катоду диода 9, аноды диодов 8 и 9 объединены в общую точку соединения. Общие точки соединения начала вторичной обмотки 6 и конца обмотки 7 трансформатора 2 и общие точки соединения анодов диодов 8 и 9 подключены ко входу Г-образного LC-фильтра 10, параллельно выходным зажимам которого подключена нагрузка 11. Управляющие электроды ключей 3, 5 подключены к широтно-импульсному контроллеру 12. Последовательно с индуктивностью Г-образного LC-фильтра включена размагничивающая обмотка 13 трансформатора 2, включенная концом к индуктивности Г-образного LC-фильтра 10, а началом к конденсатору фильтра.

Принцип действия предлагаемого 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 нагрузку через обмотку 6 и прямосмещенный диод 8 и Г-образный LC-фильтр, в то время как диод 9 заперт обратным смещением, равным (n₁+n₂)V_IN, где n₁ - есть отношение витков обмотки 6 к обмотке 1, а n₂ - есть отношение витков обмотки 7 к обмотке 1. При выключении силового регулирующего ключа 3 происходит включение дополнительного ключа 5 клампирующего элемента и на всех обмотках трансформатора происходит переполюсовка напряжений, а на первичной обмотке 1 трансформатора 2 устанавливается напряжение V_IND/(1-D) равное среднему напряжению на конденсаторе 4 клампирующего элемента.

Это напряжение трансформируется во вторичные обмотки 6, 7 трансформатора 2 что приводит к переключению тока дросселя Г-образного LC-фильтра с диода 8 на диод 9. На этом интервале времени (1-D)T, проводящего состояния дополнительного ключа 5 клампирующего элемента, обратное напряжение на запертом диоде 8 равно (n₁+n₂)V_IND/(1-D). Таким образом, на входе Г-образного LC-фильтра действует напряжение равное n₁V_IN на интервале времени DT, включенного состояния регулирующего ключа 3, и напряжение n₂V_IND/(1-D) на интервале времени (1-D)T, включенного дополнительного ключа 5 клампирующего элемента.

Вследствие этого на нагрузке устанавливается выходное напряжение (n₁+n₂)V_IND, а ток через силовой регулирующей ключ 3 равен (n₁+n₂)I_L.

Включение размагничивающей обмотки 13 последовательно с индуктивностью Г-образного LC-фильтра, число витков которой равно числу витков вторичных обмоток 6,7, позволяет исключить зазор из сердечника трансформатора или сделать его минимально возможным, тем самым уменьшить потери мощности как самом трансформаторе, так и в ключевых полупроводниковых элементах преобразователя постоянного напряжения с активным клампированием. Если в известном преобразователе постоянного напряжения поставщиком энергии в нагрузку на интервале времени (1-D)T работы клампирующего элемента 5,4, была индуктивность намагничивания трансформатора 2, то в данном случае эта энергия поставляется из индуктивности Г-образного LC-фильтра. Такое устройство преобразования электрической энергии позволяет не только уменьшить потери мощности, но и уменьшить размеры самого трансформатора. При равенстве коэффициентов трансформации на нагрузке устанавливается напряжение равное 2nV_IND, где n=n₁=n₂.

Таким образом, предлагаемый преобразователь постоянного напряжения с активным клампированием, по сравнению с известным устройством позволяет сформировать постоянное выходное напряжение из постоянного входного напряжения с уменьшением статических потерь мощности, исключить зазор из сердечника трансформатора и уменьшить размеры трансформатора.

1. А.с. №892614 (СССР) МКИ H02M3/335 “Однотактный регулятор постоянного напряжения” А.Г. Поликарпов, Е.Ф. Сергиенко.

Изобретение относится к электротехнике, в частности преобразователям постоянного напряжения в постоянное, и может быть использовано в системах вторичного электропитания для преобразования, регулирования и стабилизации постоянного выходного напряжения. Цель изобретения - формирование постоянного выходного напряжения из постоянного входного напряжения, исключение зазора в сердечнике трансформатора и уменьшение статических потерь мощности. В устройстве 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 соединено с концом второй вторичной обмотки 7. Конец первой вторичной обмотки 6 подключен к катоду диода 8, а начало второй вторичной обмотки 7 подключено к катоду диода 9, аноды диодов 8 и 9 объединены в общую точку соединения. Общие точки соединения начала вторичной обмотки 6 и конца обмотки 7 трансформатора 2 и общие точки соединения анодов диодов 8 и 9 подключены ко входу Г-образного LC-фильтра 10, параллельно выходным зажимам которого подключена нагрузка 11. Управляющие электроды ключей 3, 5 подключены к широтно-импульсному контроллеру 12. Последовательно с индуктивностью Г-образного LC-фильтра включена размагничивающая обмотка 13 трансформатора 2, включенная концом к индуктивности Г-образного LC-фильтра 10, а началом к конденсатору фильтра. 1 ил.

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 элементами, подключенные к Г-образному LC-фильтру, отличающийся тем, что последовательно с индуктивностью Г-образного LC-фильтра включена размагничивающая вторичная обмотка с числом витков, равным числу витков вторичных обмоток, включенная концом к индуктивности фильтра, а началом к конденсатору фильтра, параллельно которому включена нагрузка.