Однотактный преобразователь напряжения с обратным включением диодов Советский патент 1989 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть применено при конструировании однотакт- ных преобразователей направления с повышенным КПД.

Цель изобретения - повьш1ение КПД однотактного преобразователя путем снижения динамических межобмоточных емкостей.

Йа фиг. 1 показана схема электрическая однотактного преобразователя напряжения с обратным включением диодов; на фиг. 2 - многообмоточный дроссель однотактного преобразователя напряжения с обратным включением диодов, разрез на фиг. 3 и 4 - схемы электрические концентрических пар секций вторичных обмоток с различным включением диодов,- на фиг. 5 и 6 - схемы электрические секций вторичных обмоток с различным включением диодов

Однотактный преобразователь напряжения с обратным включением диодов (фиг.1 и 2) содержит ключевой элемент 1, многообмоточный дроссель, содержащю сердечник 2, первичную омботку 3, диоды 4, конденсаторы 5 и расположенные вдоль стержней 6 сердечника 2 внутренние 7 и наружные 8 вторичные обмотки.

На схемах (фиг.З и 4) ведены следующие обозначения, 9 - наружный слой внутренней обмотки 7 концентрической пары вторичных обмоток дросселя, 10 - внутренний слой наружной обмотки концентрической пары вторичных обмоток многообмоточного дросселя, 11

высота одной вторичной обмотки (размер вдоль стержня сердечника), в даль нешем h; 12 - направление интегрирования (параллельно оси стержня сердечника) , в дальнейшем у.

На схемах (фиг.З и 6) введены следующие обозначения: 13 - ближайшие слои рядом расположенных обмоток (перпендикулярно направлению I2 оси стержня сердечника).

Преобразователь (фиг.1) работает следующим образом.

Б исходном состоянии ключевой элемент 1, выполненный на транзисторе, например, п-р-п типа, заперт. Поэтому через первичную обмотку 3 ток не протекает. При этом полагаем энергию, накопленную в дросселе,и напряжения на конденсаторах 5 равньми . При подаче отпирающего импульса на базу транзистора в его коллектоной цепи протекает ток. В течение времени нарастания тока коллектора токи через диоды 4 не протекают, потому что к этим диодам приложено запирающее напряжение, в результате чего накапливается энергия в дросселе. При запирании транзистора полярность напряжений обмоток 3, 7 и 8 изменяется на противоположную и накопленная S дросселе энергия приводит к протеканию токов заряда конденсаторов 5 и повышению выходного напряжения устройства. В дальнейшем процессы в схеме повторяются.

В рассматриваемом однотактном преобразователе напряжения с обратным включением диодов электрическая энергия запасается собственными динамическими емкостями обмоток и междуобмоточными паразитными емкостями многообмоточиого дросселя. Собственные емкости обмоток перезаряжаютс при смене полярности входного напряжения, поэтому для определения их динамической емкости может быть применен подход

.с Wa + УЗ

Ч

г

с Q

5

0

5

где С - собственная динамическая

емкость одной вторичной обмотки дросселя,

I l - напряжение на зажимах одной вторичной обмотки дросселя, W. W 3 - количество энергии, запасаемой собственной емкостью вторичной обмотки на соседних полупериодах переменного напряжения.

Учитьшая, что разность потенциалов любых частей соседних вторичных обмоток дросселя на всех этапах имеет одинаковый знак, запишем для динамической межобмоточной емкости:

г а э

2

(I)

Рассмотрим составляющие динамической емкости обмоток дросселя при следующих допущениях:

значения всех междуобмоточных динамических емкостей могут быть приведены к напряжению одной секции вторичной обмотки дросселя ;

собственной емкостью первичной обмотки 3, межвитковыми емкостями и емкостями между несмежными слоями одной вторичной обмотки можно пренебречь J

все вторичные обмотки дросселя идентичны, намотка рядовая, равномерная, геометрические размеры обмоток намного больше расстояния между ними.

При iTHx допущениях динамическая емкость С между концентрически расположенными вторичными обмотками

5

высотой h определяется разностью энергий запасаемых на соседних полупериодах переменного напряжения в пространстве между наружным слоем 9 витков внутренней обмотки 7 и внут- ренним слоем 10 наружной обмотки 8 дросселя.

Для оценки динамической междуобмоточной емкости концентрических пар вторичных обмоток дросселя рассмотрим работу схем, изображенных на фиг. 3-6, в двух одинаковых по длительности полупериодах: t, - ключ 1 открыт; t - ключ 1 закрыт.

Обозначим: U - напряжение внутреннего слоя 10 наружной обмотки 8; и - напряжение наружного слоя 9 внутренней обмотки 7; k - число слое во вторичной обмотке дросселя,тогда напряжения на слоях этих обмоток на интервале t для фиг.З:

и

-м-.

kh

и иг- и

kh Оценивая количество энергии W

запасаемой в междуобмоточной динами ческой емкости в период t,, получим

л

w; S (-kh+y-kh.y)dy

k 2C

CT

„У

и, 3k

-.0.

где С - статическая емкость одной

пары вторичных обмоток дросселя .

На этапе t транзистор закрыт и в процессе передачи энергии вторичных обмоток дроссели в нагрузку

Таким образом, схема,показанная на фиг. 3, обладает максимальной динамической емкостью.

Рассмотрим те же этапы для схемы, изображенной на фиг. 4.

Для этапа t :

и

iV)

и

- U2- Ui

w;.

2С,

U

3k

Дhя этапа

W 1 - 1- 3 k

2

3

kh

1 Ui

Согласно (1) определяем динамиче скую емкость концентрической пары вторичных обмоток дросселя для схемы на фиг.4:

. (Wi - WS) .

L-;

ЗО

-|с.

Таким образом, динамическая емкость концентрических пар вторичных обмоток 7 и 8, последовательно сое- диненных через обратные диоды 4, согласно схеме, показанной на фиг. 4, равна нулю.

Работа схемы (фиг. 5) описывается следующим образом.

На этапе t,:

и - и

и,(1 -bf-).

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при конструировании однотактных преобразователей с повышенным КПД при выходных напряжениях от единиц вольт до десятков киловольт. Целью изобретения является повышение КПД путем снижения динамических межобмоточных емкостей. Однотактный преобразователь напряжения состоит из ключевого элемента, многообмоточного дросселя, содержащего сердечник, первичную обмотку, подключенную к ключевому элементу, N последовательно соединенных секций, каждая из которых содержит одну вторичную обмотку, соединенную одним выводом с конденсатором через диод в обратном включении. При этом вторичные обмотки дросселя выполнены в виде N /2 концентрических пар, расположенных вдоль стержней сердечника

число секци N выбрано четным

наружный вывод внутренней обмотки каждой пары концентрических обмоток соединен с внутренним выводом наружной обмотки этой же пары. Все это обеспечивает значительное повышение КПД за счет уменьшения междуобмоточной динамической емкости вторичных обмоток дросселя, благодаря чему снижается ток заряда этих емкостей и ток, потребляемый от источника питания. 6 ил.

и и - L

и, +

Количество энергии, запасаемой в междуобмоточной емкости в период t,:

г 1

II Сст Ь г Г . 7j 2Сст- Ui

э -2k4r3 У 3k

Откуда, согласно (1) определяем динамическую емкость концентрических пар вторичных обмоток дросселя:

(W - W3)

иУ

2С,,(-)45

W

Ccr-Ug Л+О

о V ,

где и и и - напряжения ближайших слоев 13, расположенных перпендикулярно оси сердечника вторичных обмоток дросселя.

На этапе

55

и - и

(1 - Г. )-.

W.

Сет- Ui ,k- si

()

Динамическая междуобмоточная емкость для схемы на фиг.5 ;

С,,.С-)-,.-,..,

откуда следует: динамическая междуобмоточная емкость схемы (фиг.5) максимальна.

Работу схемы (фиг.6) можно пред- ставить следующим образом.

На этапе

и - и

Ujd - k

„ ,Ссг- )

} 2 k

На этапе t

и - и u.j(i - ),

и „ CCT- L -42 Wa (-)

откуда

(We - Wa)

0.

. и|

Таким образом, динамическая междуобмоточная емкость вторичных обмо- ток дросселя для схемы на фиг. 4 и 6 равна нулю, что обеспечивает ее преимущества по сравнению со схемами на фиг. 3 и 5.

Таким образом, расположение вто- ричных обмоток дросселя в виде кон

7

ZS

3Z ZS

н

5

0

5

зО .,,

центрических пар, изображенное на фиг. 4 и 6, и схема включения диодов 4 обеспечивают значительное повьппе- ние КПД однотактного преобразователя напряжения за счет уменьшения междуобмоточной динамической емкости вторичных обмоток дросселя, благодаря чему снижается ток заряда этих емкостей и, следовательно, ток, потребляемый от источника питания.

Формула изобретения

Однотактный преобразователь напряжения с обратным включением диодов, содержащий ключевой элемент, многообмоточный дроссель, первичная обмотка которого через ключевой элемент подключена к входным выводам, а также N последовательно соединенных секций, каждая из которых содержит одну вторичную обмотку, подключенную к конденсатору через диод в обратном включении, отличающийся тем, что, с целью повьппения КПД путем снижения динамических межобмоточных емкостей, вторичные обмотки дросселя выполнены в виде N/2 концентрических пар, расположенных вдоль стержней сердечника, причем наружный вывод внутренней обмотки каждой пары соединен с внутренним вьгаодом наружной обмотки той же пары, а число секций N вьтол- нено четным.

ч

78 8 7 Ъ

8 7

I

I I

6578

и

Физ.г

Фиг.з

ЦЗигЛ

(ииг.5

Фиг. 6