Симметричный магнитно-связанный корректор коэффициента мощности с пассивным клампирующим элементом и стабилизацией постоянного выходного напряжения Российский патент 2025 года по МПК H02M7/25 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразователям переменного напряжения в постоянное напряжение, и может быть использовано в системах вторичного электропитания для коррекции коэффициента мощности, преобразования, регулирования и стабилизации постоянного выходного напряжения.

Известен магнитносвязанный корректор коэффициента мощности с пассивным клампирующим элементом и стабилизацией постоянного выходного напряжения [1].

Недостатком известного магнитносвязанного корректора коэффициента мощности с пассивным клампирующим элементом и стабилизацией постоянного выходного напряжения является отсутствие симметрии источника переменного напряжения относительно общей точки соединения транзисторов регулирующего ключа, что затрудняет создание эффективного источника постоянного напряжения для электропитания контроллера.

Наиболее близок по технической сущности к предлагаемому устройству магнитносвязанный корректор коэффициента мощности с пассивным клампирующим элементом и стабилизацией постоянного выходного напряжения, в котором к первичной обмотке трансформатора включённой последовательно с источником переменного напряжения и встречно-последовательными управляемыми ключами, введена вторая магнитносвязанная обмотка противофазная первой обмотке, которая через последовательно включенный конденсатор подключена параллельно встречно-последовательным управляемым ключам, а две включенные противофазно вторичные обмотки, соединены последовательно через конденсатор, через подключенные к ним диоды подключены к входным зажимам регулятора напряжения с непрерывным потреблением и передачей энергии в нагрузку, управление которым осуществляется цепью обратной связи реализованной в виде широтно-импульсного контроллера [1].

Недостаток этого магнитносвязанного корректора коэффициента мощности с пассивным клампирующим элементом и стабилизацией постоянного выходного напряжения состоит в том, что в нем отсутствие симметрия источника переменного напряжения относительно общей точки соединения транзисторов регулирующего ключа, что затрудняет создание эффективного источника постоянного напряжения для электропитания контроллера управления ключами переменного тока.

Цель изобретения - создание условий для реализации эффективного источника постоянного напряжения и для электропитания контроллера широтно-импульсного типа регулирующим ключом переменного тока.

Поставленная цель достигается тем, что в симметричном магнитносвязанном корректоре коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного напряжения первичная обмотка трансформатора, включенная последовательно с источником переменного напряжения и встречно-последовательными управляемыми ключами, реализована в виде двух полуобмоток с равным числом витков, каждая из которых согласно включена в сток двух транзисторов силового регулирующего ключа, диагональ введенного выпрямительного полумоста подключена к источнику переменного напряжения через два резистора, каждый из которых подключен к противоположным фазам источника переменного напряжения, выходные зажимы выпрямительного полумоста подключены к C фильтру таким образом, что один полюс C фильтра подключен к положительному зажиму выпрямительного моста, другой полюс к отрицательному зажиму выпрямительного моста, на котором формируется положительное постоянное напряжение и к общей точке соединения стоков регулирующего ключа, а к положительному постоянному напряжению подключен контроллер широтно-импульсного типа, выходной зажим которого подключен к общим затворам регулирующего ключа.

На фиг. 1 показана принципиальная электрическая схема выполнения предлагаемого симметричного магнитносвязанного корректора коэффициента мощности с пассивным клампирующим элементом и стабилизацией постоянного выходного напряжения.

В нем (фиг.1) первая первичная обмотка трансформатора 2 реализована в виде двух полуобмоток 1 и 3 так, что начало первой полуобмотки 1 через линейную индуктивность 16 соединено с первым полюсом входного источника переменного напряжения, а конец первой полуобмотки 1 через управляемый ключ 4, реализованный в виде встречно-последовательного включения полевых транзисторов (MOSFET), подключен к началу второй полуобмотки 3 и через линейную индуктивность 17 подключен ко второму полюсу входного источника переменного напряжения. При этом параллельно встречно-последовательному силовому регулирующему ключу 4 включена последовательно с конденсатором 6 вторая первичная магнитносвязанная обмотка 5, равная сумме числа витков полуобмоток 1 и 3, и противофазная им. Две вторичные обмотки 7 и 8 трансформатора 2 включенные противофазно соединены последовательно через конденсатор 9 так, что начало обмотки 7 соединено с катодом диода 10, анод которого подключен к концу обмотки 8, а начало обмотки 8 соединено с анодом диода 11, катод которого подключен к концу обмотки 7. Общая точка соединения начала обмотки 7 и катода 10 подключена к первому полюсу понижающего регулятора 12, а общая точка соединения начала обмотки 8 и анода диода 11 подключена к второму полюсу понижающего регулятора 12. К выходным зажимам понижающего регулятора 12 подключен управляющий контроллер 13 широтно-импульсного типа, который управляет регулирующим транзистором понижающего регулятора 12. Управляющие электроды затворы встречно-последовательного ключа 4 объединены в общую точку соединения и подключены к выходному зажиму контроллера 22, подключенному к C фильтру 21, который подключен к выходным зажимам выпрямительного моста 18. Диагональ введенного выпрямительного полумоста 18 через резисторы 19,20 подключена к источнику переменного напряжения, а выходные зажимы выпрямительного полумоста 18 подключены к C фильтру 21, который одним полюсом подключен к катодной группе моста, а другим полюсом подключен к анодной группе моста и к общей точке соединения истоков регулирующего ключа 4. Параллельно емкости фильтра 21 включен контроллер 22 широтно-импульсного типа. Параллельно дополнительной обмотке 14 трансформатора 2 включена линейная индуктивность 15.

Принцип действия предлагаемого симметричного магнитносвязанного корректора коэффициента мощности с пассивным клампирующим элементом и стабилизацией постоянного выходного 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.

Допустим, что в момент рассмотрения работы симметричного магнитносвязанного корректора коэффициента мощности с пассивным клампирующим элементом и стабилизацией постоянного выходного напряжения от источника переменного напряжения поступает положительная полуволна синусоидального напряжения. В этом случае на этапе замкнутого состояния DT ключа 4 полевой транзистор (MOSFET) ключа 4 работает в нормальном ключевом режиме (в рассматриваемом случае верхний), а второй (нижний) в режиме синхронного выпрямителя. На этом промежутке времени происходит накопление энергии в индуктивности намагничивания трансформатора 2 обусловленное первичными обмотками 1,3,5.

После выключения ключа 4 на интервале времени (1-D)T происходит переполюсовка напряжений на обмотках трансформатора, включается диод 10 и накопленная энергия в индуктивности намагничивания через вторичную обмотку 7 трансформатора 2 выводится в последовательно включенный конденсатор 9.

При изменении полярности источника входного напряжения все описанные выше процессы повторяются с той лишь разницей, что теперь на интервале времени (1-D)T включается диод 11 и накопленная энергия в индуктивности намагничивания через вторичную обмотку 8 трансформатора 2 выводится в последовательно включенный конденсатор 9.

Цепь на вторичной стороне трансформатора 2, составленная из противофазно включённых вторичных обмоток 7,8 включенных последовательно через конденсатор 9 и диодов 10,11 образует пассивный клампирующий элемент, обеспечивающий фиксацию напряжений на обмотках трансформатора 2 на интервале времени (1-D)T выключенного состояния регулирующего ключа 4.

Использование магнитносвязанной цепи, обусловленной обмотками 1,3,5 позволяет существенно увеличить дифференциальную индуктивность обмоток (для пульсаций тока), которая описывается для обмотки 1,3 выражением и для обмотки 5 выражением . В этих выражениях L_{11 =} L_μ1 + L_S1 - индуктивность намагничивания трансформатора 2 по обмотке 1,3 с учетом индуктивности рассеяния, а L_{22 =} L_μ2 +L_S2 - индуктивность намагничивания трансформатора 2 по обмотке 5 с учетом индуктивности рассеяния, где - коэффициент связи между обмотками 1 и 4 всегда меньше или равен единице, а - коэффициент трансформации между обмотками 1, 3 и 5. В нашем случае важна величина L_ЭФФ1, которая при k=n равна бесконечности и тем самым исключаются пульсации тока непрерывного и синфазного с входным переменным напряжением. При равенстве числа витков обмоток (1+3), 5 желательная величина L_ЭФФ1 достигается включением небольших индуктивностей 16 и 17 последовательно с каждой из полуобмоток 1 и 3.

Ведение дополнительной обмотки 14 трансформатора 2 с параллельно включенной линейной индуктивностью 15 позволяет ослабить жесткую связь величины индуктивности намагничивания трансформатора 2 с числом витков первичной обмотки, геометрическим размером магнитопровода и зазором трансформатора, что расширяет диапазон изменений входного напряжения.

Величины временных интервалов DT и (1-D)T устанавливаются контроллером 22 широтно-импульсного типа в процессе работы магнитносвязанного корректора коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного напряжения.

Поддержание постоянного выходного напряжения в нагрузке осуществляется с помощью понижающего регулятора 12 [2], отличительной особенностью которого является непрерывное потребление и передача энергии в нагрузку, и этим свойством он является аналогом резистивной нагрузки. Обратная связь, реализованная в виде широтно-импульсного контроллера 13, воздействует на регулирующий транзистор регулятора напряжения 11, обеспечивая поддержание постоянного выходного напряжения с заданной точностью, а также с помощью контроллера 22.

Таким образом, предлагаемый симметричный магнитносвязанный корректор коэффициента мощности с пассивным клампирующим элементом и стабилизацией постоянного выходного напряжения позволяет по сравнению с известным устройством осуществить эффективное формирование постоянного напряжения для электропитания контроллера управления регулирующим ключом переменного тока от источника переменного напряжения и тем самым осуществить регулирование и стабилизацию выходного постоянного напряжения как по цепи переменного напряжения, так и по цепи постоянного напряжения.

1. Патент на изобретение РФ №2817329 с приоритетом от 18.09.2023.

2. Авторское свидетельство СССР №1598073 “Импульсный регулятор постоянного напряжения” А.Г. Поликарпов, Е.Ф. Сергиенко с приоритетом от 05.12.1988.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах вторичного электропитания для коррекции коэффициента мощности, преобразования, регулирования и стабилизации постоянного выходного напряжения. Технический результат - создание условий для реализации эффективного источника постоянного напряжения и для электропитания контроллера широтно-импульсного типа регулирующим ключом переменного тока. Устройство содержит силовой регулирующий ключ 4 в виде встречно-последовательного включения полевых транзисторов, управляющие электроды которых объединены в общую точку, подключенную к выходному зажиму контроллера 22. Силовой трансформатор 2, первая первичная обмотка которого реализована в виде двух полуобмоток 1 и 3, каждая из которых согласно включена в сток двух транзисторов силового регулирующего ключа 4 и через силовой регулирующий ключ 4 с последовательно включенными линейными индуктивностями 16, 17 равной величины подключена к источнику переменного напряжения. Параллельно силовому регулирующему ключу 4 включена вторая первичная обмотка 5 с последовательно включенным конденсатором 6. Две вторичные обмотки 7 и 8 трансформатора 2, включенные противофазно, соединены последовательно через конденсатор 9. Общая точка соединения начала обмотки 7 и катода 10 подключена к первому полюсу понижающего регулятора 12, а общая точка соединения начала обмотки 8 и анода диода 11 подключена к второму полюсу понижающего регулятора 12. К выходным зажимам регулятора 12 подключен управляющий контроллер 13 широтно-импульсного типа, который управляет регулирующим транзистором понижающего регулятора 12. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Симметричный магнитно-связанный корректор коэффициента мощности с пассивным клампирующим элементом и стабилизацией постоянного выходного напряжения, содержащий электромагнитный элемент, имеющий первичную обмотку, подключенную через встречно-последовательный регулирующий ключ, выполненный на полевых транзисторах типа MOSFET, к выходным выводам источника переменного напряжения, первый и второй выпрямительные диоды, соединенные с выходными зажимами конденсаторов фильтра, и управляющий контроллер, отличающийся тем, что электромагнитный элемент выполнен в виде трансформатора, первая первичная обмотка которого реализована в виде двух полуобмоток, включенных согласно, последовательно с которыми включены линейные индуктивности, каждая из которых включена в стоки транзисторов встречно-последовательного регулирующего ключа, в указанный трансформатор введена вторая первичная обмотка, противофазная первым первичным полуобмоткам с числом витков, равным сумме чисел витков двух первичных полуобмоток, вторая первичная обмотка с последовательно включенным первым конденсатором включена параллельно встречно-последовательному регулирующему ключу, пассивный клампирующий элемент выполнен в виде двух вторичных обмоток трансформатора, включенных противофазно и последовательно через второй конденсатор, кроме того, начало первой вторичной обмотки трансформатора соединено с катодом первого выпрямительного диода, анод которого подключен к концу второй вторичной обмотки трансформатора, а начало второй вторичной обмотки трансформатора соединено с анодом второго выпрямительного диода, катод которого подключен к концу первой вторичной обмотки трансформатора, при этом введен понижающий регулятор, входные выводы которого подключены к началам вторичных обмоток трансформатора, а выходные выводы подключены к зажимам конденсаторов фильтра.

2. Симметричный магнитно-связанный корректор коэффициента мощности с пассивным клампирующим элементом и стабилизацией постоянного выходного напряжения по п.1, отличающийся тем, что к выходным выводам источника переменного входного напряжения через резисторы, каждый из которых подключен к противоположной фазе источника переменного напряжения, подключен выпрямительный мост, к положительному и отрицательному зажимам которого подключен C-фильтр таким образом, что общая точка соединения конденсатора C-фильтра и отрицательного зажима выпрямительного моста соединена с общей точкой соединения истоков транзисторов встречно-последовательного регулирующего ключа, а параллельно конденсатору C-фильтра включен контроллер широтно-импульсного типа, выходной полюс которого подключен к общей точке соединения затворов транзисторов регулирующего ключа.