Преобразователь напряжения Советский патент 1983 года по МПК H02M7/537 

.

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий силовой ключ, нагрузку индуктивного характера, магнитный реактор, конденсатор, коммутирующий и рекуперационный диоды, в котором первый вывод нагрузки соединен с первым зажимом источника питания, второй зажим которого через силовой управляемый ключ подключен к первой обмотке магнитно1х реактора, -а через рекуперационный диод - к второй его обмотке, причем указанные обмотки включены последовательно-согласно, а их обшая точка соединения через конденсатор подключена к второму зажиму источника питания, а через коммутирующий диод - к его первому зажиму, отпи 1ающийся тем, что, с цепью повышения быстродей-. i ствкя и уменьшения потерь энергии, второй вывод нагрузки подкя1дчен к комк гтиW рующему дноду через магнитного реактора. У

-Г

ь

0tft1

3,Преобразователь по п. 1, о т л ича юш и и ся тем, что второй вывод нагрузки соединен с силовым управляемым ключом через часть витков первой обмотки магнитного реактора.

1

Изобретение относится к электротехHHke и наибольшее применение может найти в транзисторных преобразователях.

Известен -преобразователь напряжения, содержащий силовой управляемый ключ, нагрузку индуктивного характера, шунтированную коммутирующим диодом f 1 ,

Наиболее близким по технической сущ-i нести к изобретению является преобразователь напряжения, содержащий силовой управляемый , нагрузку индуктивного характера, магга1тный реактор, конденсатор, коммутирующий и рекуперационный диоды, в KoroiJoM первый вывод нагрузки соединен с первым зажимом источника питания, второй аажкм которого через силовой управляемый ключ подютючен к первой обмотке магнитного реактора, а через рекуперационный диод - к второй его o6ivr; гке р прнчем указанные обмотки вкгцочены лос ледоватедьно-согласно, а их общая тич&в соединения через конденсатор подключена к второк у зажиму источники пикг; ия, а через коммутирующий диод - к его первому зажиму 23.

Недсстатксм известного устройства является «йзкое быстродействие и повышенные потарк энергии во время открытого СОСТОЯНИЯ силового управляемого ключа. Низкое быстродействие обусяовлено тем, что энергия в нагрузку индуктивного характера начинает поступатьне сразу по огпиракйи силового ключа, а спустя время, за которое ток первичной обмотки маг1штного реактора дорастет до значения, превышающего ток нагрузки, з.уЛ5кающийся черзз комл тарукяцнй диод

Повышенные потери энергии связаны с тем,- что псжЯедоватекьно с выходной .-ю C5 ROBOI4S управ/шемого вззлючена дополнитёпьыая цепь в виде первичной сймотки мапшгного реактора, а энер4, Преобразователь по п. 3, о. т л и - чаюшийся тем, что, с целью уменьшения потерь, в силовом управляемом ключе в моменть его включения межДу силовым управляемь1М ключом и пер ным зажимом источника питания включен вентильный элемент с падением напряжения в прямом направлении, большим, чем у коммутирующего диода.

ия, передаваемая в реактор, рассеивается в вентильных элементах.

Цель изобретения - повышение быстроДейсгеИя и уменьшение потерь энергии.

Эта цель достигается тем, что в преобразователе напряжения, содержащем сиовсй управляемый ключ, нагрузку индуктивного характера, магнитный реактор, конденсатор, коммутирующий и рекуперационный диоды, в котором первый вывод нагрузки соединен с первым зажимом источника питания, второй зажим которого через силовой управляемый ключ подключен к первой обмотке магнитного реактора, а через рекуперационный диод - к рой его обмотке, причем указанные обмотки включены последовательно-согласно, а их общая точка соединения через конденса тор подключены к второму зажиму источника питания, а через коммутирующий диод - к его первому зажиму, в Орой вьюод нагрузки подключен к ком мутирующему диоду через первую обмотку магнитного реактора.

При выполнении магнитного реактора на сердечнике с линейной петлей гистере{ зиса второй вывод нагрузки соединен с силсЖым управляемым ключом непосредственно.

При выполнении магнитного реактора на сердечнике с нелинейной петлей гистерезиса второй вывод нагрузки соединен с СШ1ОВЫМ управляемым ключом через часть витков первой обмотки магнитного г актора.

Кроме целью уменьшения потерь в указанном ключе в М(Му1енты его выкяк ченйя ме-кру силовым управляемым КЛЕЮчом и первым источника питаEKS аклю«2ен вентильный элемент с паде киём напряжения в гф.ямом направмении большим, чем, коммутирующего диода. На фиг. 1 н 2 схеме тически изображены варианты предлагаемого преобразо- ватепя напряжения. Преобразователь включает нагрузку 1 индуктивного характера, «ервый зажим 2 источника питания, первую 3 и вторую 4 обмотки магнитного реактора 5, рекуперационный диод 6, второй зажим 7 источника питания, конденсатор 8, коммути(уювшй .диод 9, силовой управляемый ключ 1О, вентильный элек4ент 11. В на фиг. 2 первая-обмотка 3 магнитного реактора 5 выполнена с отводом от части витков. Нейпр зка 1 индуктивного характера первым выводом соединена с первьм зажимом 2 источника питания. Первая и вторая обмотки 3 и 4 магнитного реактора 5 соединены последоватаяь но-согласно. Вывод второй обмотки 4 магнитного реактора связан через рекуперационный диод 6 с вторым зажимом 7 источника питания. Между обшей точкой первой и второй .обмоток 3 и 4 магнитного реактора 5 и вторым зажимом 7 источника питания включен конденсатор 8, Второй вывод нагрузки 1 связан, с за жимом 2 источника питания через первую обмотку 3 магнитного реактора 5 и комму тиру нзший диод 9, а также связан с первым электродом выходной цепи силового управляемого ключа 10, второй электрод которой соединен с вторым зажимом 7 источник1а питания. . В 1д}еобразователе напряжения,- представленном на фиг. 1, связь второго вывода нагрузки 1 с упомяну Tbnvf первым электрод ш выходной цепи силового упрас ляемого ключа 1О непосредственная. В преобразователе напряжения, схема представлена на фиг. 2, связь второго вывода нагрузки 1 с упомянутым первым электродсх выходной цепи силового управляемого ключа 1О осуществлена через часть витков первой обмотки .3 магнитного реактора 5, а между силовым ключом 10 и первым зажимом 2 источника питания включен вентильный элемен 11, Принцип действия преобразователя на{фяжения почти одинаков для схем на фиг. 1 ц 2, и поэтому ок рассматривается применительно к схеме на фиг 1. П|Я1 непроводящем состоянии силового ключа 10 ток нагрузки 1 индуктивного характера за счет накоплвнкой энергии не прекрашается, а протекает через соединённые псслеДоватав Ъно пергую обмотку 3 магнитного реактора 5 и коммутируюший диод 9. Конденсато{} 8 заряжен до напряжения питания. При переходе силового ключа 10 в проводящее состсяние нагрузка 1 практнчески сразу подключается к источнику питания, и в нее из источника начинает поступать энергия без какой-либо задержки. , В начальный момент при отпирании ключа 10 его ток равен нулю, так как ток через нагрузку мгновенно измениться не может и его величина равна току, протекакшему по обмотке 3 реактора 5. Через силовой ключ 10 ток в нагрузке 1 начинает увеличиваться за счет передачи в нее энергии из источника питания, а ток в обмотке 3 - уменьшаться за счет отдачи энергии, накопленной в магнитном реакторе 5, в источник питания. Поэтому ток силового ключа Ю нарастает практически линейно.По мере спада тока обмотки 3 уменьшается также прямей ток через коммутирующий диод 9, затем ток через Диод 9 изменяет направление и прекращается в момент восстановления его вентильных свойств. В указанный момент ток силового клоча 1О равен току нагрузки 1, сложенному с амплитудным значением тока через ктл- мутирующий диод 9 в обратном направлении. После запирания коммутирующего диода 9. начинается разряд конд 1сатора 8 через первую обмотку 3 магнитного реактора 5 и силовой управляемый ключ 1О. Во время всего этого процесса на началах обмоток магнитного реактора 5 (показаны на фиг, 1 точками) положительная полярность напряжения, и поэтому рекуперадионный диод 6 заперт. По мере разряда конденсатора 8 возрастает ток обмотки 3 и понижается потенциал на катоде диода 6. За счет запасаемой в реакторе 5 энергии (перекачиваемой из конденсатора 8) в конце процесса разряда конденсатора 5 возникает ЭДС электромагнитной индукции на обмотках 3 и 4, и через рекуперационный двод 6, о&лотки 4 и 3 и силовой ключ 1О протекает ток, обусловленный накоплен юй и реакторе 5 энергией. Накопленная в магнитном реакторе 5 энергия начинает выделяться в диоде 6 и в выходной цепи силового ключа 1О. Однако процесс отдачи энергии происходит намного медленнее, чем процесс ее. накопления в магнитном реакторе 5, так как падение напряжения на диоде бив выходной цепи силового ключа 1О намно510го меньше напряжения питания, до которого был заряжен конденсатор 8 перед началом процесса его разряда. Поэтому к моменту перехода силового управляемого клкуча Ю из состояния высокой про- водимости в состояние низкой энергия в реакторе 5 оказывается практичес- ки нерастраченной. При уменьшении тока Силового ключа 10 во время его запирания ток нагрузки 1, который практически не изменяется за короткое время запирания силового 10, ответвляется в обмотку 3 мйагнит ного реактора 5 и черев указанную обiMOTKy начинает заряжать конденсатор 6, (выполняющий роль демпфирующего элемен та, принимающего ток нагрузки и предотвращающего скачкообразное нарастание напряжения на запирающемся силовс управляемом ключе Ю, При переключении тока нагруз си в обмотку 3 и нарастании тока обмотки 3 по мере снижения тока силового ключа Ю возникает к нарастает трансформируемый в обмотку 4 ток, кото рым также заряжается конденсатор 8, В процессе заряда конденсатора 8 напряжение на нем, а значит и на обмотке 4 магнитного реактора 5, включенной через .ре1 уперадионный диод 6 параллельно конденсатору 8, плавно нарастает , Соответственно плавно нарастает напряжение на силовом управляемом ключе Ю, так какf где Uj. и напряжения на кондексато- ре 8 я силовом управляемом ключе 10; W.. . витков обмоток 3 и 4, По мере увеличения напряжения на обмотке 4 ускоряется вывод из магнитного реактора 5 энергии, переданной в него из конденсатора 8 и сохраненной к моменту запирания, что выражается в уменьшении псхложигельнсй индукции магнитного пегая. Рост напряжения на конденсаторе 8 происходит до тех пор, пока не отпирается комм тирукший диод 9, и остаток накопленной э реакторе 5 энергии возвращается в источник питания. После отдачи энер гии и снижения пелбжительной индукции магнитного поля в сердечнике магнитного реактора до нуля начинается новый процесс накопления энергии в сердечнике но. индукция теперь нарастает в отрица тапьном направлении (полярность на обмотках такова, что плюс на концах обмоток). При этом накопленная в нагруз146ке энергия частично перекачивается в реактор 5 и запасается в нем, а частично возвращается в источник питания, что обусловлено протеканием тока по цепи рекуперационный диод 6 - обмотка 4 коммутирующий диод 9- источник питания. По мере накопления энергии в сердечнике магнитного реактора 5 и роста отрицательной МДС уменьшается ток обмотки 4, Когда ток спадает до нуля,: запирается рекуперационный диод 6 и отдача энергии в источник питания прекращается. Усложненный вариант преобразователя напряжения, представленный на схеме на фиг, 2, позволяет применять для магнитного-реактора 5 сердечники с нелин.ейной петлей гистерезиса, выполненные из дешевых марок феррита, например. 2ОООНМ1, Установленный током нагрузки 1, протекакщим по части 3-1 витков обмотки 3, в состояние отрицательной намагниченности сердечник магнитного реактора 5 при отпирании силового управляемого ключа 1О начинает перемагничиваться в положительном направлении/ Это обусловлено тем, что к части 3-3 витков 3 магнитного реактора 5 через диод 9, остающийся в состоянии высокой проводимости в течение некоторого времени, при1 ладывается напряжение питания, причем полярность этого напряжения такова, что плюс на начале обмотки 3. Eciin магнитный реактор 5 выполнен на сердечнике с существенно нелинейяой петлей гистерезиса, то за короткое время он переходит из состояния отрицатель- ного насыщения в ненасыщенный режим работы, для которого характерна близкая к нулю .напряженность маг нитного пат:я в сердечнике, а значит и близкое к нулю значение МДС в сердечнике. Тогда точки ,протекакжцие по частям и 3-2 первой обмотки 3 магнитного реактора 5, оказываются связанными соотношением rTj У. Лоскаг ьку ток .ротекает через коммутирующий дяод У в обратном направлении, последний через время, за которое в его базе рас сасывается накопленный заряд, переходит 3 состоянке низкой проводимости (запир.ается) После этого начинается разряд .(7.енсатора 8 гокомЗ,Б процессе кат 5рого напряжение на этом конденса-горе снижается по закон}, близкому к линейному. Сразу при отпирании ключа 10 потгзнциал второго вывода нагрузки 1 стаковигc.f огойцателы&тм за счет трансформации 71О напряжения из части 3 первой обмот ки 3 MaiTiHTHoro реактора 5 в части 3-1 этой обмотки. Этот потенциал во вре мя проводящего состояния коммутиро ющего даода 9 остается неизменным, а затем во время разряда конденсатора 8 током j. повышается, оставаясь отриоательньщ все время разряда. Это означает, что мгновенно по отпирании силового ключа Ю в нагрузку 1 начинает посту JK пать энергия, «ричем энергия, запасенная в конденсаторе 8, также передается в нагрузку во время разряда конденсатора. По мере разряда. конденсатора 8 умень шается напряжение на обмотках магнитного реактора 5 к соответственно замедляется процесс перемагничивания его сердечника в положительном направлении, а затем отпирается рекуперационнь1й диод 6 и через него начинает замыкаться ток Зу Этот ток связан с тсясс нагрузки .,и соотношением 3,() щественно меньше тока нагрузки при выполнении неравенства )W, Тогда потери в диоде 6 и силовом ключе 10 от протекания тсжа Т/ оказываются незначительными, и энергия, переданная в нащ)узку 1 из конденсатора 8, не успевает рассеяться за время работы ключа 10 в состоянии высокой проводимости. Протекание тока через диод 6 означает, что на обмотках 4 и 3-2 действует напряжение, равное сумме падения напряжения на рекуперационном диоде 6 и силовом ключе 1О, причем полярность напряжения такова, что на началах обмоток минус т.е. сердечник магнитного реактора 5 начинает перемагничиваться в отpfдательном направлении, однако с невысокой скоростью (значительно медленнее, чем перемагничивался в положительном направлении), так как перемагничивание обеспечивается действием небольшого напряжения на значительном числе витков обмотки 4-и части 3-2 обмотки 3. При запирании силового ключа 1О начинает снижаться его ток, и ток нагрузки 1 переключается из выходной цеПи силового ключа 1О в часть 3-1 обмотки 3 магнитного реактора 5. При этом возрастает ток -через рекуперационный диод 6, и этот ток теперь определяется равенством (.o. мере снижения тока 5 силового управляемого ключа 10 возрастают токи О, и X-opiJ ic) суммой указанныхтоков заряжается конденсатор 8. На нем плавно от нуля начинает расти напряжение и соответствен4. 8. , но плавно от нуля начинает расти напряжение на .запирающемся силовом ключе 10. При использовании нелинейного сердечника в магнитном реакторе 5 появляет ся дополви тельная возможность уменьшее кия потерь энергии в силовом клооче 1О во время его запирания за счет уменьшения напряжения на этом до значения, не превосходящего напряжение пи/ тания без существенного снижеяия быстродейсявия схемы, С этой целью между первым электродом силового ключа Ю и первым зажимом 2 источника питания включается вентильный элемент 11с напряжением в проводящем состоянии большим, чем на коммутирующем диоде 9 во время его работы в проводящем состоянии. В качестве вентильного элемента 11 могут быть использсяэаны два соединенных последовательно диода, показанных на фиг. 2 пунктиром. В этом случае напряжение на силовом ключе 1О во время его запирания растет до тех пор, пока не отпираются указанные соединенные последовательно диоды 11, и тогда потенциал на первом электроде выходной цепи силового управляемого ключа 10 незначительно превышает напряжение питания. На сумме витков обмотки 4 и части 3-2 обмотки 3 при этом возникает напряжение, почти равное напряжению питания, и поэтому сердечник магнитного ,реактора 5 продолжает, перемагничиваться в отрицательном направлении, а ток нагрузки 1 замыкается через вентильный элемент. Когда сердечник попадает в режим насыщения, при которсял его магнитное сопротивление (индуктивность обмоток) становится близКИМ к нулю, исчезают напряжения на обмотках магнитного реактора 5, и ток из вентильного элементна 11 переходит в коммутирующий диод 9, обладающий меньшим падением напряжения, чем вентильаьгй элемент 11. Существенно, что укаЗанный переход тока происходит за малое время благодаря малой индуктивности обмоток магнитного рееиктора 5 при насыщении его сердечника. При использовании подобного технического решения в схемена фиг. 1 переход тока из вентильного элемента 11 в коммутирующий диод 9 провсходш бы значительно дольше, так как магввтный реактор 5 в схеме на фиг, 1 должен быть линейным и обладать ковечной вкдуктив нос1ъю (ее величина огранвчвва&т ток разряда ксяденсатора 8 ара отпЕранян силового ключа), что сушествевно увепнчввает время указанного перехода тока, а

значит снижает бьютродействие. Включать силовой управляемый ключ 1О до завершения перехода тока нельзя, так как в STOM случае при отпирании ключа 10 его ток дет нарастать пра полном напряжении питания на ключе, пока не восстанови геи высокое обратное сопротивление вентильного элемента 11, что означает существенные перегрузки силового кдюча Ю по току и соответствующие потери энергии.

Таким образом, исключение из контура тока нагрузки при включенном состоянии силового управляемого ключа полностью (в первом варианте) или частично (во втором варианте) первой обмотки магнитного реактора уменьшает потери энергии, а также повьпиает быстродействие преобразователя напряжения, а подключение вентильного элемента (во втором варианте) уменьшает потери при выключении силового управляемого ключа.

Фиг 2