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

2.Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что с вторым входным зажимом соединен электрод дополнительного управляемого ключа, общий для его входной и выходной цепей, а между управляющим электродом и средней точкой конденсаторнодиодной цепи включен токоограничивающий резистор.

3.Преобразователь по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что цепь управления дополнительным управляемым ключом выполнена в виде замкнутого контура, образованного соединенными последовательно управляющей обмоткой магнитного реактора и дополнительными резистором и диодом, причем последний включен параллельно входной цепи дополнительного управляемого ключа.

4.Преобразователь по пп. 1-3, отличающийся тем, что, с целью ограничения всплесков тока через силовой управляемый транзистор, введены коммутирующая обмотка

магнитного реактора и блокирующий диод, причем коммутирующая обмотка включена последовательно с выходной цепью силового управляемого ключа, а блокирующий диод включен последовательно с цервой -обмоткой магнитного реактора.

5.Преобразователь по п. 4, отличающийся тем, что коммутирующая обмотка магнитного реактора выполнена из двух секций, и соединена последовательно с коммутирующим диодом и нагрузкой, а точка соединения секций подключена к электроду выходной цепи силового управляемого ключа.

6.Преобразователь по п. 4, отличающий ся тем, что коммутирующая обмотка магнитного реактора соединена последовательно с первичной обмоткой дросселя нагрузки, вторичная обмотка которого через коммутирующий диод подключена к активной части нагрузки.

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий силовой управляемый ключ, своей выходной цепью включенный последовательно с источником питания через цепь нагрузки, коммутирующий диод цепи нагрузки, конденсаторно-диодную цепь, образованную соединенными последовательно конденсатором и развязывающим диодом, причем конденсатор через выходную цепь силового управляемого ключа соединен с первым входным зажимом преобразователя, а развязывающий диод шунтирован цепью, образованной соединенными последовательно первой обмоткой магнитного реактора и дополнительным управляемым ключом, рекуперационный диод и цепь управления указанным дополнительным ключом, отличающийся тем, что, с целью повыщения КПД, развязывающий диод соединен с вторым входным зажимом преобразователя, а первая обметка магнитного реактора подключена к приемнику энергии. (Л 00 ел ел ел

Изобретение относится к электротехнике и может найти применение в силовой полупроводниковой преобразовательной технике.

Известен преобразователь напряжения, содержащий силовой управляемый ключ, последовательно с выходной цепью которого включена нагрузка индуктивного характера, подключенная к первбму входному зажиму устройства, а параллельно выходной цепи включена конденсаторно-диодная цепь в виде соединенных последовательно конденсатора и диода, причем диод подключен к второму входному зажиму и шунтирован резистором 1.

Недостато1 известного устройства состоит в потерях энергии в резисторе и силовом управляемом ключе из-за протекания через них тока разряда конденсатора.

Наиболее близким к предлагаемому является преобразователь постоянного напряжения, содержащий силовой управляемый ключ, своей выходной цепью включенный последовательно с источником питания через цепь нагрузки, коммутирующий диод цепи нагрузки, конденсаторно-диодную цепь, образованную соединенными последовательно конденсатором и развязывающим диодом, причем конденсатор через выходную цепь силового управляемого ключа соединен с первым входным зажимом преобразователя, а развязывающий диод щунтирован цепью, образованной соединенными последовательно первой обмоткой магнитного ротора и дополнительным управляемым ключом.

рекуперационныи диод и цепь управления указанным дополнительным ключом 2. Недостаток известного устройства состоит в том, что конденсатор конденсаторнодиодной цепи не полностью, разряжается током обмотки магнитного реактора. Это связано с тем, что в конце разряда отпирающий сигнал становится недостаточным для поддержания дополнительного управляемого ключа в состоянии высокой проводимости (насыщения) и он переходит в активный режим, причем падение напряжения на нем скачкообразно возрастает вследствие отпирания рекуперационного диода.

В этом случае демпфирующий конденсатор разряжается не полностью, что обусловливает скачок на основном силовом управляемом ключе при его запирании и, соответственно, увеличивает потери энергии, снижает надежность работы основного силового управляемого ключа, а следовательно, и устройства в целом. .

Цель изобретения - повыщение КПД преобразования за счет снижения коммутационных потерь.

Поставленная цель достигается тем, что

в преобразователе постоянного напряжения, содержащем силовой управляемый ключ, своей выходной цепью включенный последовательно с источником питания через цепь нагрузки, коммутирующий диод ц%пи нагрузки, конденсаторно-диодную цепь, образованную соединенными последовательно-конденсатором и развязывающим диодом, причем конденсатор через выходную цепь силового управляемого ключа соединен с первым входным зажимом преобразователя, а развязывающий диод шунтирован цепью, образованной соединенными последовательно первой обмоткой магнитного реактора и дополнительным управляемым ключом, рекуперационный диод и цепь управления указанным дополнительным ключом, развязывающий диод соединен с вторым входным зажимом преобразователя, а первая обмотка магнитного реактора подключена к приемнику энергии. Причем вторым входным зажимом соединен электрод дополнительного управляемого ключа, общий для его входной и выходной цепей, а между управляющим электродом и средней точкой конденсаторно-диодной цепи включен токоограничивающик резистор. Кроме того, цепь управления дополнительным управляемым ключом выполнена в виде замкнутого контура, образованного соединенными по ;ледовательно управляющей обмоткой магнитного реактора, дополнительными резистором и диодом, причем последний включен параллельно входной цепи дополнительного управляемого ключа. Для ограничения всплесков тока через силовой управляемый транзистор введены коммутирующая обмотка магнитного реактора и блокирующий диод, причем коммутирующая обмотка включена последовательно с выходной цепью силового управляемого ключа, а блокирующий диол, включен последовательно с первой обмоткой магнитного реактора. При этом коммутирующая обмотка магнитного реатора может быть выполнена из двух секций и соединена последовательно с коммутирующим диодом ч нагрузкой, а точка соединения секций сол.ключена к электроду выходной цепи с.; .о-лго управляемого ключа. При гальванической развязке входной и выходной целей преобразователя коммутирующая обмотка магнитного реактора соединена последовательно с первичной обмоткой дросселя нагрузки, вторичная обмотка которого через кoм yтиpyющий диод подключена к активной части нагрузки, На фиг. 1 и 2 представлены варианты - . преобразователя постоянного напряжения. в которых активная часть нагрузкигальванически связана с источником питания; на фиг. 3 -- вариант схемы, в котором энергопо-треблнющая (активная) часть нагрудки гальванически связана систочником r.,,u,,o питания. В преобразователе (фиг. I) к входным зажимам 1 и 2 подключен источник,питания. Между первым и вторым входными зажимами 1 и 2 включены соединенные последовательно входная цепь силового управляемого ключа 3 и нагрузки 4 индуктивного характера, причем с вторым выходным зажимом соединен вывод нагрузки 4, а с первым - электрод выходной цепи силового управляемого ключа 3. Последовательно с выходной цепью силового управляемого ключа 3 включена конденсаторно-диодная цепь, образованная соединенными последовательно конденсатором 5 и развязывающим диодом 6, причем конденсатор 5 соединен с первым входным зажимом 1 устройства через выходную цепь силового управляемого ключа 3, а диод 6 подключен ко второму входному зажиму 2 непосредственно. Параллельно диоду 6 включена управляемая токоограничивающая цепь, образованная соединенными последовательно первой обмоткой 7 магнитного реактора 8 и выходной цепью дополнительного управляемого ключа 9. При этом ко, второму входному зажиму 2, с которым соединен диод б, подключен электрод дополнительного управляемого ключа 9, общий для его входной и выходной цепей. Начало первой обмотки 7 магнитного реактора 8 подключено к второму входному зажиму 2 через диод 6, а конец обмотки 7 - к первому входному зажиму 1 через рекуперационный диод 10. Между средней точкой конденсаторнодиодной цепи 5-6 и управляющим электродом дополнительного управляемого ключа 9 включен токоограничивающий резистор 11. Управляющая обмотка 12 магнитного реактора 8, дополнительные резистор 13 и диод 14 образуют трансформаторную цепь управления дополнительным силовым управляемым ключом 9 Б виде замкнутого контура, причем диод 14 включен параллельно вход.иой цепи дополнительного управляемого ключа 9. Нагрз/зка индуктивного характера образована соединенными последовательно обмоткой дросселя 15, активной частью нагрузки 16, щунтированной конденсатором 17 фильтра (фиг. 2). В магнитный реактор введена коммутирующая обмотка, состоящая из двух секций 18.1 и 18.2. Указанная обмотка, нагрузка индуктивного характера и коммутирующий диод 19 образуют замкнутый контур, причем общая точка коммутирующего диода 19 и активной части наРУ непосредственно соединена с вторым входным зажимом 2, а точка соединения ПЫМ ПХППНЫМ ЧЯ КЧМПМ у я ТПиКЯ .ПЙПИНРН1.1Я секций 18.1 и 18.2 коммутирующей обмотки - с общей точкой юнденсатора 5 и электрода выходной цепи силооого управляемого ключа 3. Последовательно с выходной цепью .дополнительного управляемого ключа 9 включен блокирующий диод 20. Конец первой обмотки 7 магнитного реактора 8 через рекуперационный диод 10 подключен к точке соединения элементов 15--17. В схеме на фиг. 3 нагрузка индуктивного характера представлена первичной обмоткой 15 дросселя нагрузки 4, а активная часть нагрузки 16, щунтированная конденсатором 17 фильтра, подключена к вторичной обмотке 21 дросселя нагрузки 4 через коммутирующий диод 19. Первая обмотка 7 магнитного реактора 8 началом подключена к второму входному зажиму 2 через диод 6 и концом - к первому входному зажиму 1 через рекуперационный диод 10. Принцип действия схемы на фиг. 1 состоит в следующем. При отпирании силового ключа 3 на его электроде, соединенном с конденсатором 5, возникает перепад напряжения положительной полярности, передаваемой через конденсатор 5. При этом через токоограничивающий резистор 11 во входную цепь дополнительного управляемого ключа 9 передается отпирающий сигнал. Процесс отпирания протекает лавинообразно вследствие появления на управляющей обмотке 12 магнитного реактора 8 нарастающего сигнала положительной обратной связи. После перехода дополнительного управляемого ключа 9 в состояние высокой проводимости (насыщения) образуется контур заряда конденсатора 5, ток в котором протекает через 1-3-5-7-9-2- 1. Нарастание тока в контуре ограни,чивается индуктивностью витков обмотки 7, вклю ченных последовательно с выходной цепью дополнительного управляемого ключа 9, а напряжение между средней точкой конденсаторно-диодной цепи 5-6 и вторым входным зажимом 2 плавно спадает по мере заряда конденсатора 5. Уменьщение этого напряжения означает одновременно уменьшение отпирающего сигнала во входной цепи дополнительного управляемого ключа 9, и последний переходит в активный режим. Поскольку по мере заряда конденсатора 5 происходит уменьшение тока дополнительного силового управляемого ключа, то это вызывает появление ЭДС самоиндукции на обмотке 7 магнитного реактора 8 и, как следствие, появление запирающего сигнала ,Ч- 1 Drit, tnrit OUliri L/dlV iJ-LCl J iri I П на управляющей обмотке 12. Вследствие этого дополнительный управляемый ключ 9 запирается. За счет энергии, накопленной в магнитном реакторе 8, ток продолжает замыкаться по обмотке 7, и этим током сначала конденсатор 5 заряжается до полного напряжения писания, а затем отпира ется диод 6 и через.цепь 6-7-10-2-1-6 замыкается ток обмотки 7, т. е. происходит отдача в реакторе 8 энергии в источник питания. При подключении рекуперационного диода 10 к нагрузке (как в схеме на фиг. 2) накопленная энергия передается в нагрузку, что энергетически более выгодно. Однако при этом процесс вывода энергии из магнитного реактора занимает большее время, что не всегда приемлемо.: Отп1фание дополнительного силового управляемого ключа 9 может производиться током, задаваемым только через токоограничивающий резистор И. Это проще, но энергетически менее выгодно, чем использование цепи положительной обратной связи, включающей в себя элементы . Сочетание энергетически выгодных цепи 12-13-14 положительной обратной связи и передачи энергии из магнитного реактора в нагрузку невозможно в устройстве-прототипе, так как в этом случае возникает опасность автогенерации в части схемы, образованной магнитным реактором и дополяительным силовым управляемым ключом, В предлагаемом устройстве такая опасность отсутствует, так как нет непосредственной связи соединенных последовательно обмотки 7 магнитного реактора 8 и дополнительного силового ключа 9 с источником питания (энергии). В прототипе такая связь возникает через активную часть нагрузки. Таким образом; в преобразователе конденсатор 5 во время проводящего состояния силового управляемого ключа 3 заряжается до напряжения питания. Поэтому при запирании силового управляемого ключа 3 напряжение между электродами его выходной цепи начинает нарастать плавно практически от -нуля. Нарастание напряжения обусловлено разрядом конденсатора 5 током нагрузки 4, причем в процессе разряда энергия конденсатора передается в нагрузку, Отсутствие скачка напряжения на силовом управляемом ключе 3 при запирании уменьшает коммутационные потери и повытает надежность работы наиболее загруженного и чувствительного к перегрузкам элемента схемы - силового управляемого ключа 3. В варианте схемы (фиг. 2), где нагрузка содержит соединенные последовательно активную часть 16 и дроссель 15, шунтированные коммутирующим Диодом 19, дополнительное повыщение КПД и надежности обеспечивается за счет ограничения тока -™лового управляемого ключа 3 во время процесса его отпирания. Принцип действия устройства (фиг. 2) состоит в следующем. Когда силовой управляемый ключ 3 заперт, ток обмотки дросселя 15 замыкается через коммутирующую обмотку магнитного реактора 8 и коммутирующий диод 19. При этом сердечник магнитного реактора 8 находится в состоянии насыщения (отрицательной намагниченности), и напряжение на его обмотках отсутствует. В базе коммутирующего диода 19 накоплен заряд, а конденсатор 5 разряжен. При отпирании силового управляемого ключа 3 коммутирующий диод 19 остается в состоянии высокой проводимости вследствие накопленного заряда, и напряжение источника питания прикладывается к секции 18.2 коммутирующей обмотки магнитного реактора 8. При этом на всех его обмотках возникает напряжение положительной полярности на началах обмоток. | -Возникшее напряжение на управляющей обмотке 12 вызывает отпирание дополнительного управляемого ключа 10. Однако, если число витков обмотки 7 выбрано соответствующим образом, равным или большим числа витков секции 18.2 обмотки реактора 8 блокирующий диод 20 оказывается под обратным смешением, и ток заряда конденсатора 5 по последовательной цепи 2-3- 5-7-20-9-1-2 не замыкается. Положительная полярность напряжения на началах обмоток магнитного реактора 8 означает, что его сердечник начинает перемагничиваться в положительном направлении. Между токами обмоток 18:i, 18.2 и 12 устанавливается следующая связь: ItWij.j-Its Wi6-i-111 Wi 0. . (1) где W,e-j, Wie-i Wi - числа витков обмоток 18.1, 18.2, 12; «L - ток обмотки дросселя 15 (ток индуктивной нагрузки), который можно считать неизменным при незначительной продолжительности коммутационных процессов; ток коммутирующего диода 19, протекающий через него в обpaTHoiyi направлении; -ток управления дополнительного управляемого ключа 9. Третьим слагаемым в выражении (1) можно пренебречь в силу малости тока управления и, (-кроме того, если выполнить магнитный реактор 8 таким образом, чтобы W|j«Wn.j.. Это означает, что через коммутирующий диод 19 протекает обратный ток величиной .1 (а через силовой управляемый ключ 3 - ток I (1-1-. Ограниченность указанных токов обусловливает малые потери энергии во время процесса коммутации диода 19 как в самом диоде, так ив CHJjOBOM управляемом ключе 3. Во время коммутационного процесса запирания диода 19 от источника питания пот.ребуется дополнительная энергия, обусловленная протеканием через источник обратного тока диода 19. Однако эта энергия не теряется бесполезно, а накапливается Б дросселе 15 цепи нагрузки, что вызвано дополнительным напряжением в цепи нагрузки, трансформируемым из обмотки 18.2 в обмотку 18.1. После запирания коммутирующего диода 19 уменьшается напряжение на обмотках магнитного реактора 8, и отпирается блокирующий диод 20. При этом по контуру 1-3-5-7-20-9-2-1 начинается замыкаться ток заряда конденсатора 5, а величина тока устанавливается равной 1, т. е. ограничена по абсолютной величине. В процессе заряда конденсатора 5 от источника питания потребляется дополнительная энергия, которая не теряется бесполезно. Частично она накапливается в конденсаторе 5, а частично передается в цепь загрузки, что обусловлено напряжением, трансформируемым из обмотки 7 в обмотку 18.1. По мере заряда конденсатора 5 уменьщается напряжение на обмотке 7, и соответственно уменьшается управляющее напряжение на обмотке 12. Когда управляющее напряжение на обмотке 12 станет недостаточным для поддержания дополнительного управляющего ключа 9 в состоянии высокой проводимости, последний регенераТИВНО перейдет к запертое состояние. Однако заряд конденсатора 5 продолжается, но теперь ток заряда замыкается через рекуперационный диод 10. Когда в процессе заряда конденсатора 5 потенциал средней точки конденсаторнодиодной цепи 5-6 становится меньше потенциала на катоде рекуперационного диода 10, полярность на обмотках магнитного реактора 8 меняется на противоположную, и начинается перемагничивание сердечника в отрицательном направлении. При этом по обмотке 7 продолжается протекание прежнего тока, что обусловлено непрерывностью тока обмотки 18.1. Дополнительная энергия, которая была передана в дроссель 15 во .зремя обратной проводимости коммутирующего диода 19 и в течение части процесса заряда конденсатора 5, теперь выводится из дросселя 15 и передается в активную часть 16 нагрузки 4 (или в источник питания если катод диода 10 подключен к входному зажиму 2). Током обмотки 7 конденсатор 5 заряжается до напряжения питания, после чего отпирается диод 6, и ток обмотки 7 начинает замыкаться через него. Перемагничивание сердечника магнитного реактора 8 в отрицательном направлении вызывает переход его в состояние насыщения. При этом индуктивное сопротивление обмоток становитад равным нулю, исчезают напряжения на обмотках, и запирается рекуперационный диод 10. После запирания основного силового управляемого ключа 3 процессы в схеме подобны описанным выше процессам в схеме на фиг. 1. Обмотка 7 может быть выполнена двухсекционной, а в последовательную управляемую токоограничительную цепь 7-20-9, включенную параллельно диоду 6 конденсаторно-диодной цепи, включена только часть витков обмотки 7. При этом уменьшается напряжение на дополнительном управляемом ключе 9 во время вывода энергии ИЗг.агнитного реактора 8. Коммутирующая обмотка магнитного реактора 8 может быть выполнена односекционной, например, в виде секции 18.2. В этом случае, однако, сердечник магнитного реактора 8 должен обладать линейной магнитной характеристикой, и дополк-ительная компонента тока силового упраБл.яемого ключа 3, обусловленная процессами запирания коммутирующего диода 19 и заряда конденсатора 5, определяется индуктивностью обмоток магнитного реактора 8. Односекционная коммутирующая обмотка магнитного реактора 8 может быть включена между электродом выходной цепи силового управляемого ключа 3, с которым соединен вывод демпфирующего конденсатора 5, и выводом нагрузки. Принцип действия устройства на фиг. 3 полностью подобен принципу действия устройства на фиг. 1. Следует только отметить, что для схемы на фиг. 3 применение цепи управления дополнительным управляемым ключом 9 с использованием управляющей обмотки 12 является обязательным, так как при отпирании ключа 9 ток через токоограничивающий резистор 11 снижается практически до нуля, что не дает возможности без введения дополнительных управляющих цеоей осуществить поддержание высокой проводимости указанного ключа 9. Предлагаемый преобразователь по сравнению с прототипом имеет более высокий КПД и надежность за счет обеспечения полного заряда конденсатора до напряжения питания перед очередным выключением силевого управляемого ключа. Кроме того, дополнительное введение в преобразователь коммутирующей обмотки магнитного реактора облегчает режим коммутации силового управляемого ключа, что также способствует позыщению надежности.