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

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано во вторичных источниках электропитания маломощно аппаратуры для преобразования низкого постоянного напряжения в высокое.

Известен вентильно-конденсаторны умножитель постоянного напряжения, содержащий цепочку из согласнопоследовательно соединенных разрядного и зарядного ключа, подключенную между входными выводами, и цепочку из двух согласно-последователно соединенных диодов, включенную между входным и выходным Выводом, и два конденсатора, один из которых включен между точкой соединения ключей и точкой соединения диодов, а другой между выходньми выводами CiJ.

Данный преобразователь лишь удваивает напряжение. Для умножения напряжения более чем вдвое применяется последовательное (каскадное ) соединение таких удвоителей напряжения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является преобразователь постоянного напряжения, содержащий N последовательно соединенных конденсаторно-вентильных ячеек удвоения напряжения, в каждой из которых между входными выводами включена цепочка из последовательно-согласно соединенных разрядного и зарядного ключей, к точке соединения которых подключен первый вывод первого конденсатора, второй вывод которого подключен к точке согласно-последовательного соединения двух диодов, включенных между входньви и выходнь м выводом ячейки, а параллельно выходу каждой ячейки включен второй конденсатор 2 .

Наличие двух конденсаторов и двух диодов в каждой ячейке увеличивает массу и габариты преоб азователя и снижает его КПД.

Цель изобретения - уменьшение массы и габаритов и повьвиение КПД.

Цель достигается тем, что в преобразователе постоянного напряжения, содержащем N последовательно соединенных конденсаторно-вентильных ячеек удвоения напряжения, в каждой из которых между входными выводами включена цепочка из согласно-последовательно соединенных разрядного и зарядного ключей, к точке соединения которых подключен первый вывод конденсатора, второй вывод которого через диод связан с первыми входным и выходным выводами ячейки, а вторые входной и выходной выводы ячейки объединены, и блок управления ключами, указанный диод включен между первыми

входным и выходным выводами ячейки, второй вывод конденсатора соединен непосредственно с первым выходным выводом ячейки, а блок управления ключами содержит делитель частоты с N-1 выходами,

причем вход делителя частоты соеди-i нен с входом ключей первой ячейки, а выходы делителя частоты соединены с входами ключей соответствую0 щих последующих ячеек.

На фиг. 1 показана принципиальная схема преобразователя на фиг. 2 - диаграммы напряжений.

Преобразователь (фиг. 1) подклю5 чен со стороны входа к источнику питания 1 и содержит N конденсаторно-вентильных ячеек удвоения напряжения 2.1-2.N, соединенных между собой последовательно, т.е. веаход 0 одной включен на вход другой. Каждая ячейка имеет первый входной вывод 3, первый выходной вывод 4 и объединенные второй входной и выходной выводы 5. Между выводами 3 5 и 5 включены согласно-последовательно соединенные ключи (транзисторы, а между выводами 3 и 4 - диод. Вход ключей соединен с выводом 6. На выходе преобразователя включен ди0 од 7 и нагрузка, шунтированная фильтрующим конденсатором 8. Блок управления содержит задающий генератор 9 и делитель частоты 10, причем вход делителя частоты и вход с ключа первой ячейки соединен с выходом задающего генератора, а выходы делителя частоты - с входами ключей соответствующих ячеек, при.этом между точкой соединения ключей и выводом 4 каждой ячейки включен соответству ющий конденсатор 11.

На фиг. 2 по горизонтали отложены интервалы времени i от tg до с шагом, равным полупериоду входного управляющего сигнала. Сверху 5 вниз показаны эпюры напряжений в некоторых точках:

где напряжение на выходе задающего генератора 9, на входе ключа первой ячейки, на 0 входе делителя частоты

.

Ug - напряжение на первом выходе делителя частоты, на входе ключа второй ячейки (f/2|; 5 напряжение на втором выходе делителя частоты, на входе ключа третьей ячейки (f/4); и - напряжение на третьем выходе делителя .частоты, на , входе ключа четвертой ячейкиLL л«1 напряжения на конденсаторах -ftN соответствующих ячеек, Оц- напряжение на нагрузке. Преобразователь работает следую5 щим образом.

Примем, что каждый конденсатор либо полностью заряжается от предыдущей ячейки, либо полностью разряжается на последующие ячейки. Падения напряжений на отпертых и .утечки запертых элементов не учиты-f ваются.

Делитель частоты работает в режиме счета импульсов, т.е. начала периодов импульсов совпадают. Коэффициент деления частоты равен 2. При нулевой амплитуде входного импульса ключ отперт и конденсатор заряжается от предыдущих ячеек. При единичной амплитуде входного импульса ключ заперт, т.е. конденсатор соединен последовательно с предыдущей ячейкой и разряжается на последующие ячейки.

В интервале времени t. (фиг. 2) все ключи отперты и конденсаторы всех ячеек заряжаются до напряжения U.J источника питания. В момент t первый ключ запирается, подключая первый конденсатор последовательно с источником питания, и конденсатор последующих ячеек заряжаются до двойной амплитуды (2 по вертикали ). Конденсатор первой ячейки при этом разряжается. В момент t.первый ключ отперт, второй заперт, конденсатор первой ячейки заряжается от источника питания, а конденсатор второй ячейки, соединенный последовательно с источником питания, разряжается на конденсаторы последующих ячеек и конденсатор 8, заряжая их до тройной амплитуды. В момент tj.4 ключ 1 первой ячейки вновь заперт и к энергопередаче последовательно подключается конденсатор первой ячейки и совместно с источником питания и конденсатором второй ячейки заряжает. ;. конденсатор 8 и конденсаторы третьей и четверто ячеек до четырехкратной амплитуды. В моментt -fl предыдущие циклы повторяются, но уже с подключением конденсатора третьей ячейки, при этом

конденсатор четвертой ячейки и конденсатор 8 ступенями заряжаются до восьмикратной амплитуды. И, наконец, в момент д.4 подключается конденсатор четвертой ячейки, заряжая конденсатор 8 до 16-ти кратной амплитуды. В реальной схеме с учетом потерь остаточных напряжений На конденсаторах, а также в зависимости от соотношения емкос0тей заряды растут монотонно и в установившемся режиме эпюра напряяюний на конденсаторах выглядит так, как показано пунктиром с несколько меньшей амплитудой

5

где ЕН напряжение на нагрузке/

Е.напряжение источника питания 1;

N - число ячеек удвоения напря0жения .

При следующем периоде схема приходит в исходное состояние и весь цикл повторяется.

Для эффективной работы устройства

5 желательно, чтобы емкости конденсаторов уменьшались от первого каскада к последнему, а диоды первых каскадов имели как можно меньшее прямое падение напряжения. Это

0 требование распространяется и на другие типы подобных умножителей напряжения.

Регулированием частоты генератора 9 можно регулировать мощность,

5 отдаваемую в нагрузку. Коэффициент деления частоты делителя может быть и иным, но не менее двух у соседних ячеек.

Уменьшение числа диодов и кон0денсаторов позволило при современной элементной базе улучшить КПД и массогабаритные показатели на 20-50% в зависимости от числа ячеек. Особенно это ощущается при низко5вольтных первичных источниках питания, имеющих напряжение порядка единиц вольт.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ,содержащий п последовательно соединенных конденсаторно-вентильных ячеек удвоения напряжения, в каждой из которых между входными выводами включена цепочка из согласнопоследовательно соединенных разряд.ного и зарядного ключей, к точке соединения которых подключен первый вывод конденсатора,второй вывод которого через диод связан с первыми входными и выходными выводами ячейки, а вторые входной и выходной выводы ячейки объединены, и блок управления ключами, о т л и ч а ющ и и с я тем, что, с целью уменьшения массы и габаритов и повышения КПД, указанный диод включен между первыми вхЬдным и выходным выводами ячейки, второй вывод конденсатора соединен непосредственно- с первым выходным выводом ячейки, а блок управления ключами содержит делитель частоты с N-1 выходами, причем вход делителя час -оты соединен с входом ключей первой ячейки, а выходы делителя частоты соединены с входами ключей соответствующих последующих ячеек. t : X) :л