Импульсный регулятор постоянного напряжения Советский патент 1987 года по МПК H02M3/00 

включение вспомогательной обмотки 5 устраняют перенапряжения на ключевом элементе, обеспечивают рекуперацию энергии, накапливаемой в шунтирующем ключевой элемент конденсаторе, в источник питания. При этом ог1

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры, а также в системах электропривода.

Цель изобретения - повышение КПД и надежности импульсного регулятора постоянного напряжения.

На фиг, 1 показана схема импульсного регулятора постоянного напряжения; на фиг. 2-6 - различные модификации схем регулятора; на фиг,7 - временные диаграммы токов и напряжений в импульсном регуляторе.

Устройство содержит первые ветви

1,состоящие из ключевого элемента

2,первой обмотки 3 многообмоточного токоограничивающего трансформатора 4 и вспомогательной обмотки 5 дросселя 6, вторые ветви 7, образованные основным диодом 8, и третьи ветви 9, включающие в себя вторую обмотку 10 многообмоточного токоограничивающего трансформатора 4 и основную обмотку 11 дросселя 6. Вспомогательный диод- 12 подключен к точке соединения ключевого элемента 2

с обмоткой 5 дросселя 6, Шунтирующая последовательная цепь из конденсатора 13 и диода 14 присоединена параллельно ключевому элементу 2, а к общей точке Соединения конденсатора 13 и диода 14 подключена последовательная цепь из дополнительного диода 15 и третьей обмотки 16 токо- сграничивающего трансформатора А,- Дополнительный дроссель 17 может быть включен как в первую ветвь 1, так и во вторую ветвь 7,

Источник 18 питания (фиг„ 1) подключен к выводу 19 первой ветви 1 и к выводу 20 второй ветви 7, а нагрузка 21 - к выводу 20 второй ветраничение напряжения на ключевом элементе 2 может ос 1иествляться на уровне напряжения источника питания, на уровне напряжения на нагрузке, а так- же на уровне суммы указанных напряжений, 7 ил.

ви 7 и к выводу 22 третьей ветви 9, На фиг, 2 источник 18 питания подключен к выводу 22 третьей ветви 9 и к выводу 19 первой ветви 1, а на грузка 21 - к выводу 20 второй ветви 7 и к выводу 19 первой ветви 1. По схеме фиг, 3 источник 18 питания соединен с выводом 19 первой ветви

Q 1 и с выводом 22 третьей ветви 9, К этому же выводу подключена нагрузка 21, у которой второй зажим соединен с выводом 20 второй ветви 7, Нагрузка 21 может быть как активного,

C, так и активно-емкостного характера,

В схемах по фиг, 4-6 содержатся

также совершенно идентичные ветви,

первыми выводами соединенные между

собой и включающие в себя ключевой

„ элемент 2, первую обмотку 3 токоог

раничивающего трансформатора 4 первая ветвь 1 с выводом 19; основной диод В и вспомогательная обмотка 5 дросселя 6 - вторая ветвь 7 с вы5 водом 20; вторая обмотка 10 токоограничивающего трансформатора 4, основная обмоткс I 1 дросселя 6 - третья ветвь 9 с выводом 22, Аналогично первым трем схемам подключены

Q конденсатор 13 и диод 14 шунтирующей последовательной цепи,дополнительные диод 15 и обмотка 16 токоограничивающего трансформатора 4, дополнительный дроссель 17,

Применение той или иной схемы определяется поставленной задачей при проектировании устройства. Так, если требуется импульсньш регулятор понижающего типа, то необходимо применять схему, показанную на фиг, 1 или на фиг, 4, Если требуется повышающий импульсный регулятор, то используются схемы по фиг, 2 или 5, Наконец, .для получения инвертированного напряжения тр е§уются схемы им5

0

пульсных регуляторов, показанные на фиг. 3 и на фиг. 6. Положительный эффект в предлагаемом импульсном регуляторе постоянного напряжения при всех вариантах подключения источника питания и нагрузки достигается одними и теми же средствами - указанными подключениями, вспомогательного диода 12, вспомогательной обмотки 5 дросселя 6, дополнительного диода 15, третьей обмотки 16 токоограни- чивающего трансформатора 4, дополнительного дросселя 17.

Схемы по ф иг 1 и 4, по фиг. 2 и 5, по фиг. 3 и 6 выполняют одинаковые функции, а с точки зрения повышения К1Щ и надежности они равноценны. Необходимость применения какой-либо схемы из соответствующей пары определяется только вторичными причинами - удобством конструктивного выполнения обмоток дросселя 6, местом расположения элементов на реальном макете и т.д.

Импульсный регулятор постоянного напряжения (фиг. 1) работает следующим образом.

К моменту отпирания ключевого элемента 2 сердечник токоограничивающе- го трансформатора 4 размагничен, вспомогательный диод 12 закрыт, конденсатор 13 заряжен до напряжения источника 18 с полярностью, указанной в скобках, т.е. ,, а ток дросселя 6 протекает по цепи: нагрузка 21 - основной диод 8 - вторая обмотка 10 токоограничивающего трансформатора 4 - основная обмотка 11 дросселя 6.

В момент времени to (фиг. 7) происходит включение ключевого элемента 2 и напряжение на нем j спадает до нуля. В течение времени рассасывания диод 8 остается в проводящем состоянии и к первой обмотке 3 трансформатора 4 прикладывается напряжение с полярностью, указанной на фиг. 1 без скобок. Начинается процес намагничивания сердечника трансформатора 4, при этом из закона полного тока следует, что ,,Н-1, где i - ток ключевого элемента 2; i. - ток дросселя 6; со, , со,,,, - числа витков обмоток 3 и 10 трансформатора 4; Н - напряженность магнитного поля; 1 - длина средней линии сердечника. Следовательно, ток ключевого элемента 2 равен 1 :1со,д/Оз+Н-I/CO, и по отношению к току дросселя ij, т.е. фак

5

0

5

0

тически к току нагрузки, может быть выбран на любом требуемом уровне. Таким образом, трансформатор 4 эффективно ограничивает величину тока через ключевой элемент 2 и полностью устраняет выбросы сквозного тока. Очевидно, что ток через ключевой элемент 1 должен превышать ток дросселя ij, только при этом условии через диод 8 протекает обратный ток и он начинает запираться. Для этого необходимо, чтобы число витков обмотки 10 трансформатора 4 либо превышало число витков обмотки 3, либо было равно ему. В последнем случае диод 8 запирается только током намагничивания обмотки 3, равным Н 1/СдЗ,. Вспо- могательнь Й 12 и дополнительный 15 диоды продолжают оставаться в выключенном состоянии (полярность напряжения без скобок на третьей обмотке 16 трансформатора 4), а в индуктивности намагничивания трансформатора 4 накапливается энергия.

В момент времени t, процесс запирания основного диода 8 заканчивается и ток через него спадает до нуля. Сердечник трансформатора 4

действием намагничи- встречно включенных по которым протекает

оказывается под вающих сил двух обмоток 3 и 10,

0

5

ток i дросселя 6. Поскольку число витков обмотки 10 превышает число витков обмотки 3 или, по крайней ме5 ре, равно ему, то происходит разряд индуктивности намагничивания трансформатора 4 и напряжения на его обмотках меняют свой знак (полярность в скобках). Под действием этого напряжения отпирается диод 15, по которому протекает ток, разряжающий конденсатор 13 до нуля. Из схемы на фиг. 1 видно, что этот ток протекает только через источник 18 питания и поэтому разряд конденсатора 13 не вызывает какого-либо увеличения тока через ключевой элемент 2. Если напряжение на конденсаторе 13 уменьшится до нуля до того, как разрядится ин0 дуктивность намагничивания трансформатора 4, то откроется диод 14 и произойдет рекуперация остатка энергии в нагрузку 21, при этом ток через ключевой элемент 2 даже уменьшится.

5 Процесс разряда индуктивности намагничивания заканчивается. В дальнейшем диоды 8, 12, 14, -15 закрыты, а ток дросселя 6 протекает от источника 18 питания через ключевой элемент

2, вспомогательную обмотку 5 дросселя 6, через обмотки 9 и 10 трансформатора 4.

В момент времени t ключевой элемент 2 под действием управляющего сигнала запирается и ток через него спадает до нуля. Ток дросселя 6 открывает диод 14 и начинается процесс заряда конденсатора 13 с полярностью указанной на фиг. 1 в скобках. В момент времени t напряжение на конденсаторе 13 достигает величины напряжения источника 18 питания, открывается вспомогательный диод 12 и основной диод 8, Ток дросселя 6 замыкается по цепи: нагрузка 21 - вспомогательный диод 12 - дополнительный дроссель 17 (если этот дроссе.пь включен в первой ветви 1) - вспомогательная обмотка 5 дросселя 6 - обмотки 3 и 10 трансформатора А. При этом напряжения на обмотках I1 и 5 дросселя 6 меняют свой знак (полярность напряжения на фиг, 1 показана в скобках). Ток дросселя 6 в первый момент не может протекать через основной диод 8, так как если дополнительный дроссель 17 включен в первой йетви 1, то ток этого дросселя должен уменьшаться до нуля, или если дроссель 17 включен в цепи основного диода 8 во второй ветви, ток в этом дросселе должен нарасти до тока дросселя 6, Под действием напряжения на обмотке 5 дросселя 6 ток в дополнительном дросселе 17 начинает уменьшаться, когда этот дроссель в цепи 1, или увеличиваться, когда дроссель 17 в цепи 7, При этом ток через диод 8 нарастает примерно по. линейному закону, а через диод 12 таким же образом убывает.

В момент времени tj- ток через вспомогательный диод 12 достигает и он запирается напряжением на вспомогательной обмотке 5 дросселя 6, До момента отпирания ключевого элемента 2 ток дросселя 6 замыкается по цепи: нагрузка 21 - диод 8 - дроссель 17 (если этот дроссель включен в цепи основного диода 8) - обмотка 10 трансформатора 4, Сердечник трансформатора 4 при этом поддерживается в размагниченном состоянии. В момент времени t ключевой элемент 2 отпи- рается и далее процессы в схеме повторяются.

Процессы в схемах регуляторов по фиг, 2 и 3 принципиально не отлича

ются от процессов в регуляторе по фиг. 1. Конденсатор 13 в регуляторе по фиг, 2 заряжается до величины напряжения на нагрузке 21, а в регуляторе по фиг. 3 - до суммарной величины напряжений источника питания 18 и нагрузки 21,

В устройстве по фиг. 4 процессы в схеме полностью аналогичны процессам в схеме регулятора по фиг, 1, которым соответствуют временные диаграммы на фиг. 7. Также аналогичны процессы в схемах устройств по фиг, 5 и 6 процессам в схемах по фиг. 2 и 3 соответственно.

Таким образом, в предложенном импульсном регуляторе постоянного напряжения, устраняются перенапряжения на ключевом элементе, обеспечивается рекуперация энергии, накапливаемой в шунтируюр ем ключевой элемент конденсаторе, в источник питания. Все это позволяет повысить КПД и надежность импульсного регулятора постоянного напряжения.

Формула изобретения

Импульсный регулятор постоянного напряжения, содержащий входной, выходной и общий выводы для подключения источника постоянного напряжения и нагрузки, соответственно ключевой элемент, зашуитированный соединенными последовательно конденсатором и вспомогательным диодом, обратный диод, дроссель с основной и вспомогательной обмотками и многообмоточный токоограничивающий трансформатор,

причем ключевой элемент и подключен- пьш к нему через первую обмотку многообмоточного токоограничивающего трансформатора обратный диод образуют первую последовательную цепь, вторая последовательная цепь, образованная второй обмоткой многообмоточного токоограничивающего трансформатора и основной обмоткой дросселя, подключена первым выводом к первой последовательной цепи в точке соединения первой обмотки многообмоточного токоограничивающего трансформатора и обратного диода, первый вывод первой последовательной цепи, образованный электродом .ключевого элемента и выводом конденсатора, не соединенным со вспомогательным диодом, присоединен к входному выводу, участок цепи между вторыми выводами первой и вто

рои последовательных цепей подключен;

между общим выводом и выходным выводом., отличающийся тем, что, с пелью повьшения КПД и надежности, дополнительно введена третья последовательная цепь из разрядного диода и третьей обмотки многообмоточного токоограничивающего трансформатора, подключенная между общей точкой соединения конденсатора и вспомогательного диода и общим выводом, а вспомогательная обмотка дросселя включена последоватепь- но в первую последовательную цепь.

Фиг. 2

12

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания, а также в системах электропривода. Цель изобретения - повышение КПД и надежности. Устройство содержит три последовательные цепи, вклюЯ /5 ченные определенным образом между входньм, выходным и общим выводами для подключения источника постоянного напряжения 18 и нагрузки 21 соответственно. Последовательная цепь 1 включает ключевой элемент 2 и подключенный к нему через первую обмотку 3 многообмоточного токоог- раничивающего трансформатора 4 обрат- ньй диод 8. Ключевой элемент 2 за- шунтирован цепью из конденсатора 13 и диода 14. Вторая последова ельная цепь состоит из обмотки 10 трансформатора 4 и обмотки 11 дросселя 6 и соединена последовательно с первой цепью. Третья последовательная цепь, состоит из обмотки 16 трансформатора 4 и вспомогательного диода 15, подключенного к точке соединения конденсатора 13 с диодом 14. Свободные выводы ключевого элемента 2, обмоток 11 и 16 подключены соответственно к входному, выходному и общему выводам. В первую последовательную цепь включена вспомогательная обмотка 5 дросселя 6. Введение третьей последовательной цепи и указанное Учу;1 LAJ. I (С (Л z с со со ;о Фиг.1

15 . . /59u2.5

16

п

9lt2.

t,t, i

Риг.7

Составитель Т.Добровольские Редактор С.Патрушева Техред М.Ходаннч

Заказ 4240/51

Тираж 659Подписное

ВНИШТИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Мрсква, Ж-ЗЗ, Раушская наб. , д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Корректор С.Шекмар