Преобразователь напряжения Советский патент 1983 года по МПК H02M7/537 

Изобретение относится к эпектрота нике и может быть ислопьзсзано в устройствах преобразования электрической энергии. Известен преобрвзоватепь напр$1жения, содержащий сиповой управляющий ключ, трансфо1жютор и выпрямитель Г Ij Недостатком этого преобразователя являются большие потери энергии в момент коммутации силового управляемого ключа. Наиболее близким к изобретению я& ляется преобразователь напряжения, содержащий силовой управляемый ключ, трансформатор, магнитный реактор, первый и второй диоды, в преобразователе первичная обмотка трансформатора первы выводом соедшюна с первым в содным зажимом, а вторым выводом связана со вторым входным зажимом чероз три параллельные ветви, первая из которых состоит из последовательно соединенных первой обмотки магнитного реактора и выходной цепи силового управляемого ключа, вторая - яз последовательно сое диненных второй обмотки магнитного реактора и первого диода, а третья - из конденсатора, вторичная обмотка трансформатора подключена к выпрямителю а второй диод одним выводом подключен ко второму вхоаному зажиму (2j. Недостатком данного преобразователя являются большие коммутационные потери в его элементах, связанные с про теканием значительного импульса обратного тока через выпрямитель и соответс вующим увеличением тока через силовой управляемый ключ в моменты включения последнего. Кроме того, величина обратного тока через диоды выпрямителя из-з линейного характера его спада зависит от инерционности указанных диодов. При этом в моменты восстановления вен тильных свойств этих диодов и при значительной величине обратного тока возможно возникновение колебательного про цесса, который на нагрузке воспринимается как помеха. Кроме того, в известном устройстве необходимо использование Для магнитного реактора сердечника с линейной магнитной характеристикой, при чем к величине магнитной проницаемости предъявляются определенные требования по разбросу, так как эта величина прямо связана с индуктивностью первой обмот ки магнитного реактора, а величина индуктивности, в свою очередь, определяет время разряда конденсатора, которое ограничено сверху. Цепь изобретения - уменьшение коммутационных потерь и уровня создавае мых помех и повыщение технологичности путем ограничения импульса обратного т ока че рез диоды вы прямите ля. Эта цель достигается тем, что в преобразователе напряжения, содержащем сиповой управляемый ключ, трансформатор, магнитный реактор, первый и второй диоды, в преобразователе первичная обмотка трансформатора первым выводом соединена с первым входным зажимом, а вторым выводом связана со вторым входным зажимом через три параллельные ветви, первая из которых состоит из последовательно соединенных первой обмотки магнитного реактора и выходной цепи силового управляемого ключа, вторая из последовательно соединенных второй обмотки магнитного реактора и первого диода, а третья - из конденсатора, вторичная обмотка трансформатора подключена к выпрямителю, а второй диод одним выводом подключен ко второму входному зажиму, между выпрямителем и выходом преобразователя включены последовательно соединенные третья обмотка магнитного реактора и обмотка дросселя, второй вывод RTOjfero диода подключен к первому входному зажиму через дополнительную обмотку трансформатора, а параллельно выходу выпрямителя подкгоочен третий диод. Кроме того, с целью уменьшения коммутационных потерь в сиповом управляемом ключе между первой и третьей обмотками магнитного реактора может быть введена намеренно ослабленная магнитная связь. На чертеже представлена электричеокая схема преобразователя напряжения. , Первый и второй входные зажимы 1 и 2преобразователя служат для подключения источника питания. Первичная обмотка 3трансформатора 4 первым выводом подключена к первому входному зажиму 1, второй вывод которой связан со вторым входным зажимом 2 через три параллельные ветви. Первая ветвь образована первой обмоткой 5 магнитного реактора 6 и соединенной с этой обмоткой последовательно выходной цепью силового управляемого ключа 7, вторая - соединенными последовательно второй обмоткой 8 магнитного реактора 6 и первым диодом Q, третья ветвь выполнена в виде конденсатора lO. Вторичная обмотка 11 трансформатора 4 подкпючвна ко входным выво дам выпрямителя 12. Нагрузка 13 связа на с выходными выводами выпрямителя 13 через соединенные последовательно обмотку 14 дросселя 15 и третью обк:отку 16 магнитного реактора 6. К выходным выводам выпрямителя 12 подключен третий диод 17..Третья обмотка 18 трансформатора 4 и второй диод 19 образуют последовательную цепь, и ее выводы подклк«ёны к входным зажимам Iи 2. В установившемся режиме работы пред лагаемого преобразователя в дросселе 15 накоплена энергия магнитного поля, что выражается в протекании тока по обмотке 14. Указанным током, протекающим по по третьей обмотке 16 магнитного реактора 6, его сердечник устанавливается в состояние отрицательной намагниченности, если силовой управляемый ключ 7 находится в непроводящем состоянии. Ток дросселя 15 замы сается ш этой части периода работы схемы через третий диод 17, использование которого предотвращает протекание тока по вторичной обмотке IIи связанные с этим потери энергии. При отпирании силового управляемого ключа 7 возникает ток в соединенных последовательно первичной обмотке 3 ,трано форматора 4 и в первой обмотке 5 йагнитного реактора 6. Скорость нарастания этого тока ограничена индуктивностью рассеяния между третьей и первой обмотками 16 и 5 магнитного реактора 6, а величина тока (амплитудное значение) определяется током обмотки дросселя 15 пересчитанной из обмотки 16 в обмотку 5, а именно, , ; «5-Ы б « 6--1др Х1б, где - ток обмотки 5 магнитного реактора 6, являющийся одно временно током 1|с силового управляемого ключа и токоК Iv. обмотки 3 трансформатора 4; Т - ток третьей обмотки 16 маг L.,jrг нитногр реактора 6, ЯВЛЯКУщийся одновременно токсм ТАР обмотки 14 дросселя 15; ,. 10 и / числа БИТКОВ обмоток 5, 16 и 3 соответственно. Записанное соотношение справедливо при условии малости величины МДС в сердечнике магнитного реактора, что лег о реализуется на .практике при выссасой агнитной проницаемости используемого ердечника. Причем к самой величине роницаемости не предъявляется никаких ребований по стабильности: она должна ыть ограничена снизу. Искусственное увеличение индуктивности рассеяния между обмотками 16 и 5 озволяет ограничить скорость нарастания тока в силовом ушзавляемом клкэче 7 при его переходе в проводящее состояние и тем самым уменьшить потери гни в силовом ключе. Учитывая бьгстродействие современных ключевых приборов, например транзисторов, для практического исключения коммутационных потерь при отпирании достаточно индуктивности рассеяния порядка 5-15 мкГн, что также легко реализуется на практике, например, пространственным разнесением на сердечнике обмоток 16 и 5. Протекание тока к по первичной обмотке 3 трансформатора 4 вызывает появление тока во вторичной обмотке 1, а. величина этого тока Tfl может быть найдена из соотношения записанных соотношений следует, что если К ()16ЛХ/5) . (W3/W11). то ток обмотки 11 больше тока др, значит через третий диод 17 задается обрат ный ток. Его величина может быть сделана сколь угодно малой, если 1фиближать к единице записанное выше произведение коэффициентов трансформации. Уменьшение обратного тока через диод 17 означает уменьшение коммутационных; потерь в нем, а также соответствующее снижение уровня коммутационных помех по по сравнению с прототипом, где величина обратного тока через диод при коммутации определяется его инерционностью и не может быть строго заданной. Пока диод 17, через который при отпирании силового управляемого ключа 7 начинает протекать обратный ток, остается в состоянии высокой проводимости, напряжение на обмотках 11 и 3 трансфо1%матора 4 близко к нулю. Поэтому напряжение источника питания через обмотку 3 и силовой управляемый ключ 7 оказывается приложенным к первой обмотке 5 магнитного реактора 6. При этом да третьей обмотке 16 этого реактора возникает напряжение, которое вызывает накогьпение энергив в дросюепе 15, т.е. при о пираний СИ7ЮВОГО управляемого ключа 7 энергия ог источника среоу начинает поступать в нагрузку. При этом под дв ствием напряжения на первичной обмотке 5 магнитного реактора 6 его сердечник первмагничивается в положительном иапр«впении, а состояние сердечника харак теризуется Евысокой магнитной проишше мостью. После восстановпс:(а1Я обратного сопротивления диода 17 ток дросселя 15 начинает протекать черев обмотку 11 . тпансйюоматогж 4 и, cooтвeтcт.вeшю иэменяется величина тока первичной обмотки 3 трансформаToj 4. Ток 1 определяе ся равенством. -1хзс/г 11 дрс этого же момента начинается раэряа конденсатора 10, и STOT разряд осушествтшется 1 , равным Ic lApnW16|WJ)-(W11 /«/i |Примерное постоянство тока разряда означает, что разряд конденсатора 1О происходит по линейному закону, т.е. быстрее, чем в схеме-прототипе, 3to дает возможность при той же вепнчнш тока через силовой управляе1лый ключ, что к в прототипе, увеличить емкость конденсатора 10, что оказывается сущес венным с точки зрения уменыпения потерь энергии при запирании силового клю чаВо время .разряда конденсатора 10 на обмотке 16 действует напряжение, транс формируемое из обмотки 5, поэтому про исходит перекачка энергии, накопленно в конденсаторе 10, в дроссель 15. По мере уменьшения напряжения на конденсаторе растет напряжение на обмотке 3 трансформатора 4, и поэтому энергия пр должает поступать в нагрузку как через магнитный реактор 6, так и через трано форматор 4. Уменьшение напряжения на конденсаторе 1О означает уменьшение напряжения на обмотке 5 магнитного реактора б а значит уменьшение скорости перемагничивания сердечника реактора в положите пьном направлении. Наконец, когда напряжение на конденсаторе 10 снизится до нуля, перемаг1тчивание в положительном направпении прекратится, затем отпирается диод 9, который до этого бло кировал напряжение на обмотке 8, и полярность напряжений на обмотках магнит вого реактора Q щамваявтся на o6pai ную (минус на началах обмоток 5, 8 в 16). При этом начинается перемагнвчвв н0е сердечника реактора 6 в отршштепьном направпенни. Однако пер магничивания весьма мала, так как она О1феделяется суммарным падением вапр жения на проводящих диоде 9 и силовом управляемом ключе 7, приложенным к соединенным последовательно обмоткам 8 и 5 магнитнохх реактора 6. Запирание силового ущювляемого клинча 7 вызывает снижение тока обмотки 5, вследствие чего возрастает ток в, и этим током, а также током обмотки 3 заряжается конденсатор 10. После запирания силового 7 ток заряда «онденсатора 10 достигает максимального значения, рав{юго ic;lAptl X/16/ S)) Ограничешюсть тока, зар51жающего конденсатор 1О, означает, что напряжение на нем нарастает птшвво. Соответственно плавно нарастает напряжение на силовом управляемом ключе 7, так как DK-Uct1 + )3. Как в в прототипе постепенность нарастания напряжения {la силовс«4 ущщвляемом ключе 7 обусловливает незтчительные коммутационные потери энергии во время запирания, когда происходит снюконва тчэка через ключ. Это же 1фиводит к уменьшению вероятности вторичного пробоя, т.е. к повышению надежности функционирования устройства. Однако отмеченная возможность увеличения емкооти конденсатора 10 позволяет уменьшить в сравнении с прототипом скорость награстания напряжения на запирающемся ключе 7, т.е. снизить потери энергии во время процесса запирания. По мере | растания напряжения на ковденсаторе 10 сначала уменьшается напряжение на обмотках трансформатора 4, а затем оно изменяет полярность. Пооле измене шя полярности напряжения на охотках (лояЁлается минус на началах обмоток 3, 11 и 18) через диоды выпрямителя 12 начинает протекать обратный ток, величина которого ограничена и решна. 6, Обр 1 АР t (Vlt / ()3 / WH) 3. Ограниченность тока через диоды выпрямителя 12 и их независимость от динамических свойств диодов позволяет умеш

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий свповой уяравпя мый креп, травсфо{ 1атор, магнитшдй реи актор, первый и второй диодал, в npeofr , разоватепе первичная обмотка травсфорт«1 н тора первым выводом соединена с первым входным зажимом,а вторым вывод ом связа- йа со вторым входным зажимом через три яараппепьные ветак, первая из которых состоит из последовательно соединенных первой охотки магнитного реактора и ВЫХОД1ЮЙ цепи сипового управляемого кгаоча, вторая - из последовательно со дянэнвых второй обмотки магнитного реактора и аврвсаго диода, а третья - ва конденсатора, вторичшл траноформатора хюшслючена к выпромителю, а второй диод одним выводом подключен ко второму входнс «у зажиму, о т л и чающийся тем, что, с целыо уменьшешш коммутационных потерь в уровень создаваемых помех и повыпюнвя техшэлогичностн, между выпрямителем и выходом преобразсюателя вюпочены люследовательно соединенные третья обмотка .магнитнотч) реактора в дросселя, второй вывод второго диода подключен к первс(у вхоцнся у зажиму через дополнительную обмотку граш форматора, а пара nine лыю выходу выпрямителя подключен третий диод. СО ел s| ел 9)