Однотактный высоковольтный стабилизированный преобразователь постоянного напряжения Советский патент 1985 года по МПК H02M3/335 

2. Преобразователь по п.1, о т личающийся тем, что обмотки дросселей всех звеньев и трансформатора выполнены на общем магнитопроводе.

3. Преобразователь по п.1, о т личающийся тем, что обмотки упомянутых дросселей и трансформатора вьтолнены на отдельных магнитопроводах.

1. ОДНОТАКТНЫЙ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий трансформатор, первичная обмотка которого через регулирующий ключ соединена с входными питающими выводами, а к вторичной обмотке подключено основное звено, состоящее из последовательно соединенных первого конденсатора, дросселя и второго конденсатора, причем между обкладками первого и второго конденсаторов включен диод катодом к попожи;тельной обкладке первого конденсатора, а анодом к отрицательной обкладке второго конденсатора, отличающийся тем, что, с целью уменьшения массы и габаритов при выходном напряжении высокого уровня, параплельно дросселю подключается цепь, состоящая из N дополнительных звеньев, вьтолненных аналогично указанному основному звену и включенных последовательно, причем каждое последующее звено (Л включено параллельно дросселю предыдущего звена, а выходные выводы преобразователя подключены параллельно одной, из двух групп последовательно соединенных конденсаторов, принадлежащих разным звеньям. со

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразователям напряжения, позволяющим получить в нагрузке постоянное высокое напряжение, гальванически отделенное трансформатором от цепи источника питания .

Известны высоковольтные преобразоратели напряжения, содержащие ключ и трансформатор, к каждому из выводов вторичной обмотки которого подключены цепи из нескольких последовательно соединенных конденсаторов и диодов, включенных между разноименными обкладками конденсаторов одинаковых номеров, принадлежащих различным цепям

Недостатком данных преобразователей является отсутствие стабилизации выходного напряжения при изменении входного.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является однотактный преобразователь напряжения, содержащий трансформатор, первичная обмотка которого через регулирующий ключ слединена с входными питающими выводами, а к вторичной обмотке подключено основное звено, состоящее из последовательно соединенных первого конденсатора, дросселя и второго конденсатора, причем между обкладками первого и второго конденсаторов включен диод катодом к положительной обкладке первого конденсатора, а анодом к отрицательной обкладке второго конденсатора 23

Недостаток известного преобразователя состоит в том, что в нем трудно получить.высокий уровень выходного напряжения из-за большого коэффициента трансформации трансформатора, а также необходимости использования высоковольтных элементов в цепях высокого уровня напряжения.

Цель изобретения - уменьшение массы и габаритов при выходном напряжении высокого уровня.

Цель достигается тем, что в однотактном высоковольтном стабилизированном преобразователе постоянного напряжения, содержащем трансформатор , первичная обмотка которого через регулирующий ключ соединена с

входными питающими выводами, а к вторичной обмотке подключено основное звено, состоящее из последовательно соединенных первого конденсатора, дросселя и второго конденсатора,

причем между обкладками первого и второго конденсаторов включен диод катодом к положительной обкладке первого конденсатора, а анодом к отрицательной обкладке второго конденсатора, параллельно дросселю подключена цепь, состоящая из N дополнительных звеньев, выполненных аналогично указанному основному звену и включеннь1х последовательно, причем

каждое последующее звено включено параллельно дросселю предыдущего звена, а выходные выводы преобразователя подключены параллельно одной из двух групп последовательно соединенных конденсаторов, принадлежащих разным звеньям.

Обмотки дросселей всех звеньев н трансформатора могут быть расположены на общем магнитопроводе или на отдельных магнитопроводах.

На чертеже показана схема предлагаемого высоковольтного преобразователя постоянного напряжения.

Первичная обмотка 1 трансформатоpa 2 своим началом подключена к вы- воду для подсоединения положительного полюса источника входного напряжения. Конец обмотки 1 через регулирующий ключ 3 соединен с выводом для подсоединения отрицательного по3люса источника входного напряжения. Между началом и концом вторичной об мотки 4 трансформатора 2 подключено основное звено, состоящее из последовательно соединенных конденсатоpa 5, обмотки дросселя 6, конденсатора 7, причем отрицательная обклад ка конденсатора 5 соединена с началом, а отрицательная обкладка конденсатора 7 - с концом обмотки 4 трансформатора 2. Между положительной обкладкой конденсатора 5 и отри цательной обкладкой конденсатора 7 включен диод 8 к-атодом к положитель ной, а анодом - к отрицательной обкладкам конденсаторов 5 и 7. Параллельно обмотке дросселя 6 включено первое дополнительное звено, состоящее из последовательно соединенных конденсатора 9, обмотки дросселя 10 и конденсатора 11, причем отрицательная обкладка конденсатора 9 соединена с началом, а отрицательная обкладка конденсатора 11с концом обмотки дросселя 6. Между положительной обкладкой конденсатора 9 и отрицательной обкладкой конденсатора 11 включен диод 12катодом к положительной, а анодом к отрицательной обкладке конден саторов 9 и 11 . Параллельно обмотке дросселя 10 включено второе дополнительное звено, состоящее из последовательно соединенных конденсатора 13, обмотки дросселя 14 и конденсатора 15. Между положительной обкладкой конденсатора 13 и отрицательной обкладкой конденсатора 15 включен диод 16 катодом к положительной, а анодом к отрицательным обкладкам конденсаторов 13 и 15. Параллельно обмотке дросселя 14 включено третье дополнительное звен состоящее из последовательно соединенных конденсаторов 17, обмотки дросселя 18 и конденсатора 19. Между положительной обкладкой конденса тора 17 и отрицательной обкладкой конденсатора 19 включен диод 20 катодом к положительной, а анодом к о рицательной обкладкам конденсаторов 17 и 19. Параллельно цепи, состояще из последовательно соединенных конденсаторов 7, 11, 15 и 19, включена нагрузка 21. Принцип действия предлагаемого высоковольтного преобразователя 73д рассмотрим исходя из предложенной идеальности всех элементов, установившегося режима работы, непрерывности изменения магнитных потоков в сердечниках трансформатора и дросселей и пренебрежения пульсациями напряжений на конденсаторах по сравнению со средними значениями этих напряжений. Если включен регулирующий ключ 3, то полярность напряжения на обмотке 4 трансформатора 2 такова, что диод 8 находится под обратным смещением. При этом средние значения напряжений на всех конденсаторах одинаковы. Поэтому диоды 12, 16 и 20 также находятся под обратным смещением. Во вторичной обмотке 4 трансформатора 2 на этом этапе работы протекает ток, вытекающий из начала указанной обмотки. Поэтому конденсаторы 5, 9, 13 и 17 разряжаются, а конденсаторы 7, 11, 15 и 19 заряжаются. Разряд конденсатора 5 осуществляется суммой токов lAp,+I,,, и этой же суммой токов за вычетом тока нагрузки осуществляется заряд конденсатора 7. Разряд конденсатора 9 осуществляется суммой токов lip +Ii, этой же суммой токов минус ток нагрузки осуществляется заряд конденсатора 11. Аналогичные выражения можно записать и для других конденсаторов. На каждой из обмоток дросселей .6, 10, 14 и 18 полярность напряжения такова, что приводит к увеличению токов, протекающим по дросселям в направлении от положительных обкладок конденсаторов 5,9,13 и 17 к положительным обкладкам конденсаторов 7, 11, 15 и 19. Таким образом на указанном этапе работы энергия, потребляемая от источника входного напряжения, обеспечивает рост энергии, накопленной в магнитном поле сердечников трансформатора и дросселей, увеличение энергии, запасенной в конденсаторах 7, 11, 15 и 19, и поддержание тока нагрузки. Последние три составляющие обеспечиваются также разрядом коненсаторов 5, 9, 13 и 17. После выключения ключа 3 вследтвие появления ЭДС самоиндукций олярность напряжений на обмотках рансформатора и дросселей изменяется на противоположную, что должно было бы привести к отпиранию диодов 8, 12, 16 и 20. Однако этого не происходит, поскольку, например, в контуре: диод 8, конденсатор 9, диод 12 и конденсатор 7 действует суммарное напряжение 4U.g+ , связанное с разрядом конденсатора 9 и зарядом конденсатора 7 на интервале времени включенного состояния ключа 3, которое не позволяет включиться диоду 8. Аналогично, рассматривая контур - диод 12, конденсатор 13, диод 16 и конденсатор 11, можно убедиться, что действующее напряже Uc«ние в этом контуре позволяет включиться диоду 12 и т.д Поэтому после выключения ключа 3 может включиться только диод 20, поскольку в данном случае нет условий, которые поддерживали бы его в выключенном состоянии. В результате включения диода 20 начинается перез ряд конденсаторов 5,9,13,17,7,11, 15 и 19 и передача накоплений энергии в реактивностях в нагрузку. Так, конденсатор 5 заряжается током намагничивания трансформатора 1 , который протекает по контуру: обмотка 4 трансформатора 2 конденса торы 7, 11, 15 и 19, диод 20, конденсаторы 17, 13 и 9. Конденсатор 7 разряжается током , а конденса 1м+1Ар6Ко«тор 9 заряжается током I«4p денсатор 11 разряжается током +1 , а конденсатор 13 заряжается током 1„+1др +1др«. Аналогичные вьфа жения можно было бы записать и для других конденсаторов. Можно показат что средние значения токов в обмотках дросселей 6, 10, 14 и 18 одинаковы и равны току нагрузки „ , а среднее значение тока намагничивания трансформатора 2, для случая равенства числа витков обмоток 1 и .4, равное - . где М - число . л 1- 2Г звеньев, относительное врем включенного состояния регулирующего ключа 3, t - время включенног состояния ключа 3, а Т - период ег работы. С учетом ранее приведенных выра жений для токов разряда конденсато ра 5 на интервале времени включенн го состояния регулирующего ключа 3 и его заряда и на интервале времен 1736 выключенногр состояния ключа 3 можно видеть, что эти заряды равны. Действительно, конденсатор 5 разряжается током 41 „ в течение времени Т, а током I ff. в течение времезаряжаетсяни (1-з-)Т Несколько иначе протекаёт процесс перезаряда остальных конТак, конденсатор 9 разденсаторовряжается током 31), в течение времени а конденсатор 7 заряжается в это же вермя током 31,. Это означает, что изменение заряда на конденсаторах 9 и 7, за время включенного состояния одно и то же с той лишь разницей, что конденсатор 9 разряжается, а конденсатор 7 заряжается. При выключении регулирующего ключа 3 конденсатор 7 разряжается током (), а конденсатор 9 - током ,)51и+1н перезаряд кон-, денсаторов 7 и 9 осуществляется одним и тем же током. Нетрудно видеть, что изменение заряда на конденсаторах 7 и 9 за время (1-у)Т включенного состояния регулирующего ключа 3 больше изменения заряда на этих конденсаторах за время Т включенного состояния регулирующего ключа 3. Это означает, что то же самое изменение заряда на конденсаторах, которое имело место н интервале времени уТ, произойдет за меньшее время, чем ()Т. Назовем это время условно (1-у) Т, которое меньше, чем (1-у)Т. Тогда в момент времени, когда изменение заряда на конденсаторах 7 и 9 за время ( станет равным измененшо заряда на этих же конденсаторах за время -j-T, включится диод 8, и дальнейшее изменение заряда на этих конденсаторах станет невозможным. Аналогичньй процесс происходит при включении диода 12 вследствие изменения заряда на конденсаторах 11 и 13. То же самое имеет место-для диода 16 вследствие изменения заряда на конденсаторах 15 и 17, В .процессе этих изменений зарядов на конденсаторах по существу идет процесс переноса избытка заряда, например, на конденсаторе 7,,полученного на интервале времени вследствие его подзаряда, а на конденсаторе 9 --на интервале времени (1-у)т, с целью компенсации уменьшения такого же заряда на этом конденсаторе в течение интервала времени уТ. После включения диодов 8, 7 12 и 16 ток нагрузки протекает по последовательной цепи, составленной из обмоток дросселей и диодов, а изменение напряжения на конденсаторах, при принятых допзщениях, практически отсутствует. На всех обмотках дросселей и обмотке 4 трансформатора 2 действуют напряжения, равные средним значениям напряжений на конденсаторах. Из условия равенства вольт-секундных площадей на обмотках магнитных элементов можно получить средние значе ния напряжений на конденсаторах. Эти напряжения на всех конденсатора Ег одинаковы и.равныПг--. Поэтому п У среднее напряжение на нагрузке и -: 7Г где N - общее число ячеек, включе ных последовательно. 73 Таким образом, предлагаемый преобразователь позволяет увеличивать уровень выходного напряжения без увеличения коэффициента трансформации трансформатора. Естественно, что уровень выходного напряжения может быть увеличен за счет одновременного увеличения коэффициента трансформации. Поскольку напряжения на всех обмотках магнитных элементов одинаковы в любой момент време-i ни, то они могут быть вьтолнены на одном магнитопроводе. Однако в ряде случаев для исключения трудностей, связанных с высоковольтной изоляцией обмоток, с технологической точки зрения Целесообразно все магнитные элементы выполнять на отдельных магнитопроводах.