Преобразователь постоянного напряжения Советский патент 1984 года по МПК H02M3/335 H02M7/537 

2. Преобразователь по п. 1, от личающийся тем, что цепью нагрузки и выходной цепьюосновного силового управляемого ключа включена вторая обмотка магнитного реактора . 8 3. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что цепь рекуперации энергии магнитного реактора содержит рекуперационный диод, через который первая обмотка магнитного реактора подключена к первому входному зажиму.

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТСЯПНОРО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий основной, силовой управляемый ключ, через цепь нагрузки включенный между входными зажимами, коммутирующий диод цепи нагрузки, конденсаторно-диодную цепь, образованную соединенными последовательно конденсатором и развязывающим диодом, причем конденсатор соединен с первым электродом выходной цепи основного силового управляемого ключа, а развязываквдий диод - с вторым, магнитным реактор, первая обмотка которого через дополнительный ключ включена между средней точкой конденсаторно-диодной цепи и вторым электродом основного силового управляемого ключа, цепь рекуперации энергии магнитного реактора, подключенную к приемнику энергии, цепь управления дополнительным ключом, отличающий ся тем, что, с целью повышения КПД и надежности, в него введены блокирующий диод, включенный последова- g тельно в цепь первой обмотки магнит- ного реактора, и комгиутирующая об-, мотка магнитного реактора, включенная между выходной цепью основного силового управляемого ключа и коммутиру ощим диодом. - го to

Изобретение относится к электротехнике и мохсет найти применение в .силовой полупроводниковой преобразовательной технике. Известен преобразователь постоян ного. напряжения, содержащий силовой управляемый ключ, г оследовательно с выходной цепью которого включены соединенные параллельно нагрузка индуктивного характера и коммутирую щий диод, подключенные к первому входному зажиму, а параллельно выходной цепи включена последовательная конденсаторно-диодная цепь, диод которой подключен к второму входному зажиму и шунтирован резистором 11 Т. Недостаток известноГо преобразователя .заключается в потерях энерггии в силовом управляемом ключе из-за протекания обратного тока ком мутируквдего диода через выходную цепь ключа, а также потери энергии в резисторе. Наиболее близким к изобретению является преобразователь постоянног напряжения, содержащий основной сил вой управляемый ключ, через цепь нагрузки включенный между входными зажимами, коммутирующий диод цепи нагрузки, конденсаторно-диодную цеп образованную соединенными последова тельно конденсатором и развязывающи диодом, причем конденсатор соединен с первым электродом выходной цепи указанного силового ключа, а развя- зывакадий диод - с вторым, магнитный реактор, первая обмотка которого че рез дополнительный ключ включена между средней точкой конденсаторнодиодной цепи и вторым электродом основного силового управляемого клю ча, цепь рекуперации энергии магнит ного реактора, подключенную к прием нику энергии, цепь управления допол нительным ключом 2. . Недостаток прототипа состоит в том, что отсутствует ограничение обратного тока коммутиругадего диода .цепи нагрузки, из-за чего при отпи|рании основного силового управляемо го ключа возникает режим перегрузки его по току и мощности, что снижает КПД и надежность устройства. Цель изобретения - повычение КПД и надежности устройства. Поставленная цель достигается тем что в преобразователь постоянного напряжения, содержащий основной силовой управляемый ключ, через цепь нагрузки включенный между входными зажимами, коммутирующий диод цепи нагрузки, конденсаторно-диодную цепь, образованную соединенными последовательно конденсатором и развязьшаюяим диодом, причем конденсатор соединен с первым электродом выходной цепи основного силового управляемого ключа, а развязываквдий диод - с вторым, магнитный реактор, первая обмотка которого через дополнительный ключ включена между средней точкой конденсаторно-диодной цепи и вторым электродом основного силового управляемого ключа, цепь рекуперации энергии магнитного реактора, подключенную к приемнику энергии, цепь управления дополнительным ключом, введены блокирующий диo включенный последовательно в цепь первой обмотки магнитного реактора, и коммутирующая обмотка магнитного реактора, включенная между выходной цепью основного силового управляемого ключа и коммутиругацим диодом. Дополнительное повышение КПД может быть получено, если меходу цепью нагрузки и выходной цепью основного силового управляемого ключа включена вторая обмотка магнитного реактора. На чертеже приведена принципиальная схема преобразователя постоянного напряжения. Устройство включает входные зажимы 1 и 2, нагрузку 3.1 индуктивного, характера, содержащую индуктивную часть 3.2 (дроссель) и энергопотрёблякщую (активную) часть 3.3, параллельно которой включен конденсатор 3.4 выходногс фильтра, коммутирукхций диод 4, основной силовой управляемый ключ 5, конденсатор 6 и

развязывающий диод 7 конденсаторнодиодной цепи, первую обмотку 8 магнитного реактора 9, дополнительный ключ 10, рекуперационный диод 11, блокируквдий диод 12, коммутирующую обмотку 13 магнитного реактора, управляющую цепь дополнительного ключа, содержащую управляющую обмотку 14-1 магнитного реактора 9, токорграничиваквдий резистор 14-2, шунтирующий диод 14-3, и вторую обмотку 15 магнитного реактора 9.

К входным зажимам 1 и 2 подключен источник питания. Нагрузка 3.1 индуктивного характера выполнена в виде.соединенных последовательно индуктивной части 3.2 (дросселя) и энергопотребляющей (активно) части 3.3 щунтированной конденсате ром 3.4 выходного фильтра. Первый вывод нагрузки подключен к первому входному зажиму 1 устройства, а вто рой вывод нагрузки яйляется одновременно выводом обмотки дросселя 3.2. К первому входному зажиму 1, кроме того, подключен первый вывод коммутирующего диода 4.

Между первым и вторым электродами выходной цепи основного силового управляемого ключа 5 включена .конденсаторно-диодная цепь, образованная соединенными последовательно конденсатором 6 и развязывакщим Диодом 7. Конденсатор 6 подключен к первому электроду выходной цепи основного силового управляемого ключа 5, а диод 7 - к второму. Второй электрод выходной цепи основного силового управляемого ключа 5 непосредственно соединен с вторым входным зажимом 2 устройства.

Витки первой обмотки 8 магнитно о реактора 9 . и дополнительный ключ 10, соединенные последовательно, включены в цепь ограничения тока разряда конденсатора б, причем один вывод первой обмотки 8 соединен с вторым электродом выходной цепи основного силового управляемого ключа 5, а второй вывод через рекуперационный диод 11 подключен к первому входному эажиму 1 устройства. При таком включении первой обмоки 8 она совместно с диодом 11 выполняет роль цепи рекуперации энергии магнитного реактора 9.

Цепь ограничения тока разряда демпфирующего конденсатора б включает в себя блокирующий диод 12, включенный с указанными элементами послдовательно. Эта цепь подключена к средней точке конденсаторно-диодной цепи 6-7.

Управляющая цепь дополнительного управляемого ключа 10 выполнена в . виде замкнутого контура 14, содержащего соединенные последовательно управляющую обмотку 14-1 магнитного реактора 9, токоограничивающий резистор 14-2 и шунтируюцлй диод 14-3.

Возможен вариант устройства, в котором цепь ограничения тока разря5 да конденсатора б, включающая в себя соединенные последовательно витки первой обмотки 8 магнитного реактора 9, дополнительны ключ 10 и .блокирующий диод 12,, включена между

0 точкой соединения обмотки дросселя 3.2 и активной части 3.3 нагрузки и средней точкой конденсаторнодиодной цепи 6-7. При этом управляю- щая цепь дополнительного ключа 10

п Принцип действия устройства состоит -в следующем.,

Когда основной силовой управляемый ключ 5 заперт, ток обмотки дросселя 3.2 замыкается через обмотки 13

5 и 15 магнитного реактора 9 и коммутирующий Диод 4. При этом сердечник магнитного реактора находится в состоянии насыщения (отрицательной намагниченности) и напряжение на его обмотке отсутствует, а в базе ком0мутирукиего диода 4 накоплен заряд. Конденсатор б заряжен до напряжения питания.

При отпирании основного силового управляемого ключа 5 коммутирующий

5 диод 4 остается в состоянии высокой проводимости вследствие накопленного заряда и напряжение источника питания прикладывается к обмотке 13. При этом на вс.ех обмотках магнитно0 j:o реактора 9 возникает напряжение. .положительной полярности на началах обмоток.

Возникшее напряжение на управляющей, обмотке 14-1 вызывает отпирание

5 дополнительного ключа 10. Однако, если число витков первой обмотки 8 выбрано соответствукщим образом (равным или большим числа витков обмотки 13), .блокирующий диод 12 окаQ зывается под обратным смадение и

ток разряда конденсатора б по последовательной цепи 8-10-12-6-5-8 не замыкается. Конденсатор б при этом сохраняет свой заряд-.

е Положительная полярность напряжения на началах обмоток магнитного реактора 9 оОначает, что его сердечник начинает перемагничиваться в положительном направлении.Тогда меж0 ДУ токами обмоток 13, 15 и 14-1 уста навливается следугацая связь:

J. W --.IV -3 VC со,

Гя

1S 4 13 14 14-1

где w,,, w.,

- числа витков обмоток 15/ 13, 14-1;

5 ток обмотки /1росселя 3.2 (ток нагрузки) , который можно считат неиэменньом н время коммутационных пр цессов ; ток коммутирующего диода 4, протекающий через него в обрат ном направле нии; ток управления , задувае мый во входную цепь дополнительного ключа 10. Третьим слагаемым в выражении (1 можно пренебречь в силу малости ток управления и, кроме того, если выполнить магнитный реактор таким образом, чтобы 3 озн чает, что через коммутирукхчий диод 4 протекает обратный ток величи. W I ной J -- ij.a через основной силово 3 1/ W управляемый ключ 5 - ток Ограниченность этих токов обусловливает малые потери энергии во время процесса коммутации диода 4 как в этом диоде, так и в основном силовом управляемом ключе 5. Во время коммутационного процесса запирания диода 4 от источника питания потребляется дополнительная энер гия, обусловленная протеканием обрат ного тока диода 4. Однако эта энергия не теряется бесполезно, а передается в дроссель 3.2 нагрузки, что вызвано дополнительным напряжением в цепи нагрузки, трансформируемым из обмотки 13 в обмотку 15. После запирания коммутационного диода 4 уменьшается напряжение на обмотках магнитного -реактора 9 и отпирается блокируюций диод 12. Через него и дополнительный ключ 10 поддерживаемый в востоянии высокой проводимости за счет напряжения на управлягацей обмотке 14-1, к первой обмотке 8 магнитного реактора 9 прикладывается напряжение заряженного конденсатора 6. По замкнутой цепи 8-10-12-6-5-8 конденсатор 6 начинает разряжаться, а ток разряда устанавливается равным j -- , т.е. также ограниченным по абсолютной величине. При разряде конденсатора б накопленная, в нем энергия передается в дроссель 3.2, что вызвано дополнительным напряжением в цепи нагрузки, трансформируемым из обмотки 8 в обмотку 15. По мере разряда конденсатора б уменьшается напряжение на обмотке 8 и соответственно уменьшается управляющее напряжение на обмотке 14-1. Когда управляквдее напряжение станет недостаточным для поддержания дополнительного ключа 10 в состоянии высокой проводимости, последний, реге- неративно (из-за положительной обратной связи, осуществляемой цепью 14) перейдет в запертое состояние. Это происходит в момент, когда конденсатор 6 разряжается почти полностью. После запирания дополнительного ключа 10 на обмотках магнитного реактора 9 происходит изменение полярности напряжения, которое растет до тех пор, пока не отпирается рекуперационный диод 11. При этом через обмотку 8 и диод 11 замыкается ток W,, величиной О ii . Протекание этого тока означает, что энергия, которая была передана в дроссель 3.2 нагрузки 3.1 во время обратной проводимости коммутирующего диода 4 и во время разряда конденсатора 6, теперь возвращается в источник питания (рекуперируется). Во время процесса рекуперации сердечник магнитного реактора 9, до этого перемагнитившийся в положительном направлении, начинает возвращаться в исходное состояние отрицательной намагниченности. Это происходит за счет протекания тока 3 по обмотке 15. Когда сердечник возвратится в состояние насыщения, напряжения на обмотках магнитного реактора 9 исчезнут, а энергия перестанет возвращаться в источник питания. При запирании основного силового управляемого ключа 5 действием внешнего сигнала конденсатор 6, разряженный вследствие описанного процесса у начинает заряжаться током Зц . При этом напряжение между электродами выходной цепи основного силового управляемого ключа 5 нарастает плавно (замедленно), что обусловливает улучшение коммутационного процесса запирания и, как следствие, повышение КПД и надежности устройства. Обмотка 8 может быть выполнена двухсекционной, причем в последовательную цепь, содержащую элемён-ты 10-12, включена только часть витков обмотки 8, Управлягадая токозадаквдая цепь 14 может быть выполнена в виде единственного резистора, показанного на . фиг. 1 пунктиром, что проще, но менее энергетически выгодно.

В- случае отсутствия обмотки 15 сердечник магнитного реактора 9 должен обладать линейной магнитной характеристикой и дополнительная KOi«inoнента тока основного силового управляемого ключа 5, обусловленная процессами запирания коммутирующего диода 4 и разряда конденсатора, б, определяется индуктивностью обмоток магнитного реактора 9.

Для работы предлагаемого устройства конструкция цепи рекуперации энергии магнитного реактора 9 несуществена. В частности, использование первой обмотки 8 для рекуперации необязательно, а может быть введена отдельная рекуперационная обмотка, если, например, передавать энергию в активную часть нагрузки 3.1, магнитно связанную с выходной цепью основного силового управляющего ключа 5.

Для работы предлагаемого устройства несущественно также место включения нагрузки: она может быть расположена между вторым электродом выходной цепи основного 5правляемого силового ключа 5 и вторым входным зажимом 2 устройства, причем первый входной зажим 1 соединен с первым электродом выходной цепи основного силового управлякшего ключа 5.

По сравнению с прототипом предлагаемое устройство позволяет повь1сить КПД и надежность за счет . , ограничения обратного тока коммутирующего диода во время коммутации (отпирания) основного силового уп-. равляемого ключа, разнесения во времени протекания обратного тока через коммутирующий диод и тока разряда конденсатора, из-за чего снижаются потери энергии в основном силовом управляемом ключе, и возможности

передачи энергии, отбираемой от

источника питания во время обратной проводимости коммутирующего диода в источник питания или в нагрузку.