Преобразователь постоянного напряжения в постоянное Советский патент 1990 года по МПК H02M3/18 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве бестрансформаторного импульсного источника электропитания различного назначения, в частности для заряда накопительного конденсатора.

Цель изобретения - повышение КПД и снижение массогабаритных показате- .

На фиг.1 и 2 изображены схемы си- лфвой части преобразователя лостоян- нфго напряжения для заряда накони- т льного конденсатора; на фиг.З - ,, временные диаграммы потребляемого токи i , суммарного тока i дросселей ц4пи.перезаряда и суммарного тока 1Э конденсаторов на интервале потребле- н#я энергии, тока 1Ц одного из иден- Tijraiibix дросселей цепи перезаряда, тока1 i H нагрузки и напряжения Uc на од- Hdw из идентичных конденсате на .4 - эквивалентные схемы замещения преобразователя на интервале заряда, перезаряда, и разряда конденсаторов.

Преобразователь постоянного напряжения (фиг.1) содержит два входных вывода 1 и 2 для подключения соответ- ст зенно положительной и отрицательной источника постоянного напряже- ни)я, два выходных вывода 3 и 4, образующих соответственно отрицательный и°положителъный выходы преобразователя, четырехполюсник 5, состоящий из первой и второй продольных ветвей и |N поперечных ветвей, первая про- до пьная ветвь содержит ключи (6-1) - () , первый из которых - управляемый (тиристор), а другие - неуправляемые (диоды), и линейный дроссель 7, вторая продольная ветвь содержит неуправляемые ключи (8-1) - 8 - - (N-1) (диоды), поперечные ветви содержат конденсаторы (9-1) - (9-N), параллельно обкладкам которых подключены соответственно цепи перезаряда, состоящие из последовательно соединенных диода (10-1) - (IO-N) и линейного дросселя (Н-1) - (П-N), преобразователь также содержит ключи (12- -1) - (12-N) разрядной цепи, последний из которых управляемый (тиристор а остальные неуправляемые (дирды), а также диод 13 и выходной линейный дроссель 14.

Преобразователь (фиг.1) работает следующим образом.

5 0 5

д

5

0

5

0

5

Со схемы управления (не показана) на управляющий электрод тиристора 6-1 поступает запускающий импульс. Тиристор 6-1 и диоды (6-2) - (6-N), (8-1) - 8(N-1)J, (10-1) - (10-N) открываются и на интервале 0 - t, (фиг.З) происходит колебательный процесс заряда конденсаторов (9-1) - (9-N) от источника постоянного напряжения (выводы/ - 1 и 2 ) через линейный дроссель 7 при некотором нарастании тока в дросселях (11-1) - (H-N) цепей перезаряда. Эквивалентная схема замещения преобразователя при этом имеет вид, представленный на Фиг.4 а, где L f - индуктивность линейного дросселя 7;L2 - индуктивность параллельно включенных линейных дросселей (11-1) - (1J-N) цепей перезаряда; С/ - суммарная емкость конденсаторов; Un - напряжение источника питания.

Нарастание суммарного тока дросселей цепи перезаряда будет происходить тем медленнее (быстрее), чем больше (меньше) отношение К La/L ,. Чем меньше К, тем к моменту равенства нулю потребляемого тока i1 i, напряжение на конденсаторах (9-1) - (9-N) при высоких добротностях L л - С, контура (0 Ю-20) будет близко к почти удвоенному напряжению источника питания.

В момент t, равенства нулю потребляемого тока 11 тиристор 6-1 и диоды (6-2) - (6-N), (8-1) (N-)j естественным образом отключаются. С этого момента на интервале t, - t (фиг.З) происходит колебательный процесс перезаряда конденсаторов (9-1) - (9-N) через последовательно включенные диод (10-i) - (iO-N), линейный дроссель (11-1) - (11-N) соответственно до противоположного по знаку и равного по номиналу напряжения. При этом эквивалентная схема замещения преобразователя имеет вид, представ- на фиг.4 б. Причем процесс перезаряда конденсаторов (9-1) - (9-N) по длительности всегда превышает процесс их заряда, что связано с обеспечением запаса по индуктивностям К.

В момент ti равенства нулю тока i дросселя цепи перезаряда диод цепи перезаряда фиксирует напряжение на конденсаторе, полярность которого указана на Фиг.1 в скобках. Далее на управляющий электрод тиристора 12-N цепи разряда поступает запускающий

5

импульс. Тиристор 12-N открывается и на интервале t - t3 (Лиг.З) последовательно соединенные конденсаторы (9-1) - (9-N) через выходной дроссель 14 полностью разряжаются на ем- костную нагрузку, подключенную к выводам 3 и 4 преобразователя. Эквивалентная схема замещения преобразователя при этом имеет вид, представлен- ный на фиг,4 в. При этом колебательный процесс разряда конденсаторов (9-1) - (9-N) сопровождается возрастанием тока нагрузки з м.

С момента t3 полного разряда по- следовательно включенных конденсаторов (9-1) - (9-N) тиристор 12-N естественным образом отключается, так как ток нагрузки i ч теперь будет замыкаться через открытый диод 13, ми- нуя тиристор 12-N, а к его силовым выводам будет приложено нулевое напряжение. На интервале tэ - t (фиг.З) ток нагрузки 1К будет поддерживаться за счет энергии, накопленной в выходном дросселе 14, и будет сопровождаться характерным спадом, который зависит от индуктивности дросселя 14, емкости накопительного конденсатора и напряжения на нем. При этом эквивалентная схема замещения преобразователя представлена на фиг.4 г.

J

Момент очередного включения тирис-

тора 6-1 осуществляется в промежутке времени между t и tq. с учетом времени восстановления tg проводящих свойств полупроводниковых приборов разрядной цепи, а также с учетом вре- мени tn полного разряда конденсаторов (9-1) - (9-N) при максимально возможном напряжении на нагрузке. При этом процессы, происходящие в цепях заря- ца и перезаряда конденсаторов (9-1) - (9-N), не оказывают влияние на ток нагрузки Јн, так как тиристор 12-N выключен. Далее процессы в схеме преобразователя будут аналогичным образом повторяться до тех пор, пока на- пряжение на накопительном конденсаторе не будет практически, равно напряжению на последовательно соединенных конденсаторах (9-1) - (9-N) к моменту их очередного разряда. Таким обра- зом, напряжение на накопительном конденсаторе к концу зарядного цикла будет практически находиться в пределах от NUn до 2NUn, где U п напряжение

246

источника питания; N - число каскадов умножения.

Схема управления тиристорами может быть выполнена, например, по типу ждущего блокинг-генератора, причем период следования запускающих импульсов тиристора зарядной цепи сдвинут относительно периода следования запускающих импульсов тиристора разрядной цепи на фиксированное время t. Данный временной сдвиг обеспечивается путем соответствующего Нормирования входных запускающих импульсов блокинг-генераторов. Входные импульсы блокинг-генераторов могут быть получены, например, путем сдвига частоты задающего генератора, выполненного, например, по интегральным схемам с помощью распределителей импульсов или сдвигающих устройств, выполненных, например, на тиристорах, транзисторах или триггерах.

Одним из,путей повышения выходной среднеэарядной мощности преобразователя является снижение времени заряда, перезаряда и разряда конденсаторов. Собственная частота копебатель- ного контура перезаряда конденсаторов зависит от собственной частоты колебательного зарядного контура и отношения К индуктивноетей этих контуров. Поэтому при больших суммарных емкостях конденсаторов максимальная собственная частота зарядного контура ограничена минимально достижимой индуктивностью этого контура. Таким образом, с целью повышения уровня выходной среднезарядной мощности преобразователя за счет повышения собственной частоты колебательного зарядного контура, в зарядный контур каждого конденсатора может быть введен линейный дроссель (7-1) - (7-N). В этом случае максимальная частота идентичных колебательных зарядных контуров будет ограничена уже минимально достижимой индуктивностью этого контура и емкостью лишь одного конденсатора. Преобразователь (Лиг.2) при этом работает аналогичным образом. Таким образом, за счет организации колеба- тельного процесса заряда, перезаряда и разряда конденсаторов рассматривае - мый преобразователь позволяет существенно повысить КПД.

В предлагаемом преобразователе колебательный процесс заряда параллельно включенных друг относительно друга

конденсаторов осуществляется от источника питания через общий для всех или каждый через свой линейный дроссель. Это позволяет в первой группе силовых ключей использовать только один управляемый ключ (тиристор), который осуществляет отсечку одной из обкладок конденсаторов от положитель- вывода источника питания. Все остальные силовые ключи первой груп- п(1 неуправляемые (диоды) и служат д|ш предотвращения закорачивания кон- д нсаторов в процессе их последующего перезаряда и разряда, а также предот- вращения взаимного влияния каскадов друг на друга. Таким образом, происходит снижение массы преобразователя за счет исключения схем управления к N(-1 силовым ключам первой группы.

Перезаряд конденсаторов приводит к тому, что в качестве силовых клю- ч(ей второй и третьей группы используют неуправляемые ключи (диоды), причем по сравнению с известным предла- гаемый преобразователь содержит на о|цин ключ второй группы меньше. Это позволяет существенно снизить массу преобразователя за счет исключения схем управления к силовым ключам вто- рэй и третьей групп.

Кроме того, в предлагаемом преобразователе нет необходимости использовать управляемый ключ, осуществляющий отсечку отрицательного выхода че- тырехполюсника и преобразователя.

Необходимо отметить, что по сравнению с известным предлагаемый преобразователь при одинаковом числе каскадов умножения позволяет передавать большую энергию, так как его конденсаторы заряжаются и перезаряжаются не др напряжения источника питания, а практически до вдвое большего. Поэтому при передаче эквивалентной дозы энергии и сохранении одного и того же уровня выходного напряжения дпя предлагаемого преобразователя при определенном соотношении параметров элементов схемы по сравнению с известным потребуется максимум в два раза меньше каскадов умножения, что также позволяет существенно уменьшить массу преоб ра зователя.

В преобразователе с большим уров- нем передаваемой мощности (при больших емкостях конденсаторов каскадов и относительно малых временах заряда) индуктивности колебательного контура

заряда, перезаряда и разряда незначительны по массе. Поэтому в предлагаемом преобразователе суммарная масса линейных дросселей, введенных в контуре заряда, перезаряда и разряда конденсаторов, а также дополнительных диодов в цепях перезаряда и шунтирующего диода разрядной цепи существенно меньше той массы, снижение которой по сравнению с известным обеспечивает исключение двух управляемых ключей, схем управления к N-1 силовым ключам первой, второй и третьей группы, а также необходимого количества ключей и конденсаторов при каскадном умножении напряжения.

fi

ормула изобретения

Преобразователь постоянного напряжения в постоянное, содержащий два входных и два выходных вывода для подключения, соответственно, источника постоянного напряжения и нагрузки, четырехполюсник, состоящий из N поперечных ветвей, первой и второй продольных ветвей, каждая из которых включает полупроводниковые ключи, образующие первую и вторую группы, причем аноды ключей, кроме управляемого первого, первой группы объединены в общую точку, анод первого ключа этой группы является первым входом четырехполюсника и соединен с входным выводом для подключения положительного полюса источника питания, катоды ключей второй группы объединены в общую точку, соединенную с входным выводом для подключения отрицательного полюса источника питания, каждая из попет речных ветвей включает конденсатор, одна обкладка которого, кроме конденсатора первой ветви, соединена с катодом соответствующего ключа первой продольной ветви, а другая обкладка, кроме конденсатора последней поперечной ветви, соединена с анодом соответствующего ключа второй продольной ветви, а также N-1 полупроводниковых , ключей третьей группы, каждый из которых включен между разноименными обкладками соответствующих конденсаторов предыдущей и последующей попереч- Нойс ветвей, а к одному из выходов четырехполюсника подключен анодом уп- равляеьый полупроводниковый ключ разрядной цепи, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД и , I

915

снижения массогабаритных показателей, катод первого полупроводникового ключа первой группы соединен со свободным выводом обкладки конденсатора первой поперечной ветви через дополнительно введенный линейный дроссель, к точке соединения которого с конденсатором указанной ветви подключена общая точка соединения ключей первой группы, выполненных неуправляемыми, образующая первый выход четырехполюсника, соединенный с первым выходным выводом, свободный вывод обкладки конденсатора последней поперечной ветви образует второй выход четырехполюсника и подключен к общей точке соединения ключей второй группы, вы4Ю

полкенных неуправляемыми, и аноду ключа разрядной цепи, катод которого подключен к общей точке соединения катода дополнительно введенного диода с дополнительно введенным выходным линейным дросселем, свободный вывод которого подключен к второму выходному выводу, а анод дополнительного

диода соединен с первым выходным выводом, причем параллельно конденсатору каждой поперечной ветви включена дополнительно введенная цепь перезаряда, состоящая из последовательно

соединенных перезарядных линейного дросселя и диоДа, анод которого соединен с первым выходным выводом.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве бестрансформаторного импульсного источника питания. Цель изобретения - повышение КПД и снижение массогабаритных показателей. Устройство содержит четырехполюсник 5, включенный между входными 1,2 и выходными 3,4 выводами для подключения соответственно источника постоянного напряжения к нагрузки. Четырехполюсник 5 состоит из продольных и поперечных ветвей. Первая продольная ветвь включает первую группу ключей, первый из которых - управляемый, а остальные - неуправляемые (диоды). Вторая продольная ветвь состоит из второй группы ключей-диодов. Каждая поперечная ветвь включает конденсатор 9, зашунтированный цепью перезаряда из диода 10 и дросселя 11. Аноды диодов первой группы объединены и соединены с выходным выводом 3, точкой соединения дросселя 7 с конденсатором первой поперечной ветви и с анодом диода 13. Анод управляемого ключа этой ветви соединен с входным выводом 1. Катоды диодов второй продольной ветви объединены и подключены к входному выводу 2 и к аноду управляемого разрядного ключа, катод которого соединен с катодом диода 13 и через дроссель 14 - с выходным выводом 4. Между разноименными обкладками конденсаторов смежных поперечных ветвей включен один из диодов третьей группы. Изобретение позволяет сократить число используемых управляемых ключей при одновременном увеличении передаваемой в нагрузку энергии без увеличения числа каскадов умножения напряжения. 7 ил.

06-1 7

8-1 Н

10-1

11-1

-(4

9-1 / tt-ffhi}

- /i t

V Т

«иI-

8-JIH)

Фиг.1

ь

/O- v V v

Un

/I

H -L

Kb T

to

ФинЗ

Сн