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

Изобретение относится к электро- , технике и может быть использовано в бестрансформаторных импульсных источниках электропитания различного назначения, в частности в качестве промежуточного повышающего звена при разряде накопительного конденсатора от низковольтного источника.

Цель изобретения - повышение КПД и снижение лассогабаритных показателей .

Па фиг.1 и 2 изображены силовые схемы преобразователей постоянного напряжения вепостоянное; на фиг.З - временные диаграммы потребляемого то- ка 11, суммарного тока 1г дросселей цепи перезаряда и суммарного тока 13 конденсаторов на интервале потребения энергии, тока г. одного из росселей цепи перезаряда, тока 1ц агрузки, напряжения UOCH и ило„ на сновном и дополнительном конденсато- ре соответственно на некотором интер- але переходного процесса; на i иг.4 а-д - эквивалентные схемы заещения преобразователя на интервале заряда, перезаряда и разряда конденсаторов .

Преобразователь постоянного напряжения в постоянное, например, для заряда накопительного конденсатора (фиг.1) содержит два входных вывода 3 и 2 для подключения соответственно положительной-и отрицательной клемм источника постоянного напряжения, два выходных вывода 3 и 4, образующих соответственно отрицательный и положительный выход преобразователя, четырехполюсник 5, состоящий из двух продольных и N поперечных ветвей, первая продольная ветвь содержит ключи 6.1- 6.N, первый из которых управляемый (тиристор), а другие - неуправляемые (диоды), и линейный дроссель 7, вто- рая продольная ветвь содержит равляемые ключи 8.1 - 8„() (диоды) ,поперечные ветви содержат конденсаторы 9.1-9.N, параллельно обкладкам которых подключены соответственно че- ре з разделительные диоды 10.1 -10 . N дополнительные конденсаторы П.1- П.to, цепи перезаряда конденсаторов 9.1-9.N состоят соответственно из последовательно соединенных диода 12.1- 12.N и линейного дросселя 13.1-J3.N, разрядная цепь включает тиристоры 14.1-14.N, а также выходной диод 15 и выходной линейный дроссель 16.

5

0

5

Преобразователь работает следующим образом.

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), 12.1-12.N открываются и на интервале 0-t1 (фиг.З) происходит колебательный процесс заряда конденсаторов 9.1-9.N, 11.1-il.N от источника постоянного напряжения (выводы 3 и 2) через линейный дроссель 7 при некотором нарастании тока в дросселях 13.1- 13.N цепей перезаряда. Эквивалентная схема замещения преобразователя при

этом имеет вид, представленный на фиг.4а, где L., - индуктивность линейного дросселя 7; L - индуктивность параллельно включенных идентичных линейных дросселей 13.1-J3.N цепей перезаряда; С1, С 2 - суммарная емкость идентичных конденсаторов 9.1-9.N и 11.1-11.N соответственно; U - напряжение источника питания.

Нарастание суммарного тока i, дросселей цепи перезаряда будет происходить тем медленнее (быстрее),чем больше (меньше) отношение К L-/L,.

0 В момент t0 равенства нулю суммарного тока 1Э всех конденсаторов разделительные диоды 10.1-10.N фиксируют на дополнительных конденсаторах 11.1- 31.N напряжение, которое при высоких

ч добротностях зарядного контура 0(10- 20) практически равно удвоенному напряжению источника питания.

В момент t , равенства нулю потребляемого тока i, iг + i3 суммарный

Q ток 13 конденсаторов 9.I-9.N компенсирует суммарный ток i-z дросселей 13.1-13.N (фиг.4б), в этот момент тиристор 6,1 и диоды 6.2-6.N, 8.1-8.CN- -1) естественным образом отключаются,

3 а напряжение на конденсаторах 9.1-9.N несколько меньше, чем капряжение на конденсаторах 11.1-11.N. Причем чем больше К, тем к моменту t1 напряжение на конденсаторах 9.1-9.N будет близко

5Q к напряжению на конденсаторах 11.1- II.N.

На интервале

ti

t2 (Лиг.З) про

исходит колебательный процесс перезаряда конденсаторов 9.1-9.N через соответствующие им цепочки, состоящие из последовательно включенных диода 12.1-32.N и линейного дросселя 13.- 13.N, до противоположного по знаку и равного по номиналу напряжения. При

515

этом эквивалентная схема замещения преобразователя имеет вид, представленный на фиг.4в. Длительность про-1 цесса перезаряда конденсаторов 9.1- 9.N по отношению к времени их заряда может быть различной, все зависит от значений К и отношения емкостей

с,/с,.

В момент t., равенства нулю тока i дросселя непи перезаряда диод цепи перезаряда .фиксирует напряжение на конденсаторе, полярность которого указана на фиг.1 в скобках. Далее на управляющий электрод тиристоров 14.1- 14.N разрядной цепи поступает запускающий импульс. Тиристоры 14.1-14.N открываются, и на интервале t5 - tj (фиг.З) последовательно соединенные конденсаторы 9.1-9.N и 11.1-11.N че- рез, линейный дроссель 16 полностью разряжаются на нагрузку, подключенную к выводам 3 и 4 четырехполюсни- 1ка 5. Эквивалентная схема замещения преобразователя представлена на |фиг.4г. При этом колебательный цесс разряда конденсаторов 9.1-9.N и J1.1-1J.N сопровождается возрастанием тока нагрузки iH.

С момента t, полного разряда последовательно включенных конденсаторов 9.1-9.N и 11.J-11.N тиристоры 14.1-14.N естественным образом отключаются, так как ток нагрузки i H те - перь будет замыкаться через открытый шунтирующий диод 15, а к силовым выводам тиристоров будет приложено нулевое напряжение. На интервале (фиг.З) ток нагрузки iи будет поддерживаться за счет энергии, накопленной в линейном дросселе 16, и будет во времени носить монотонно убывающий характер. Эквивалентная схема замещения преобразователя на интервале ta - t4 имеет вид, представленный на фиг.4д.

Момент очередного включения тиристора 6.1 осуществляется в промежутке времени между t3 и С4 с учетом времени восстановления tg проводящих свойств полупроводниковых приборов разрядной цепи, а также с учетом времени tn полного разряда конденсаторов 9J-9.N и 11.1-11.N при максимально возможном напряжении на нагрузке. При этом процессы, происходящие в цепях заряда и перезаряда конденсаторов схемы умножения, не оказывают влияние

7256

на ток нагрузки iH, так как тиристоры 14.1-14.N выключены.

Далее процессы в схеме преобразователя будут аналогичным образом повторяться до тех пор, пока напряжение на накопительном конденсаторе не будет практически равно напряжению на последовательно соединенных конденсаторах 9.1-9.N и 11.1-11.N к моменту их очередного разряда. Таким образом, напряжение на накопительном конденсаторе к концу зарядного цикла будет . практически находиться в пределах от

5 3NUn до 4NUn, где Un - напряжение источника питания, N - число каскадов умножения.

Схема управления тиристорами первой и третьей группы может быть вы0 полнена, например, по типу ждущего блокинг-генератора, причем период следования запускающих импульсов тиристоров разрядной цепи сдвинут относительно периода следования запускаю5 щих импульсов тиристора зарядной цепи на фиксированное время t7. Данный временной сдвиг обеспечивается путем соответствующего формирования входных запускающих импульсов блокинг-ге0 нераторов. 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

0 среднезарядной мощности преобразователя является снижение времени заряда, перезаряда и разряда конденсаторов. При больших суммарных емкостях конденсаторов всех каскадов макси5 мальная собственная частота колебательного зарядного контура ограничена минимально достижимой индуктивностью этого контура. Таким образом, с целью повышения уровня выходной средне0 зарядной мощности преобразователя за счет повышения собственной частоты колебательного зарядного контура, в зарядный контур,каждой пары конденсаторов введен идентичный линейный ,

5 дроссель 7.(N-1) - 7.N. (фиг.2) соответственно. При этом максимальная частота каждого колебательного зарядного контура будет ограничена минимально достижимой индуктивностью это5

го контура и емкостью только двух параллельно включенных конденсаторов каскада. Собственная частота колебательного контура перезаряда и колеба- тельного разрядного контура при этом также зависят от параметров элементов соответствующих цепей. В этом случае схема преобразователя (йиг.2) работает аналогичным образом.

В предлагаемом преобразователе колебательный процесс заряда N пар параллельно включенных друг относительно друга конденсаторов осуществляется от источника питания через общий для всех или каждая через свой линейный дроссель. Это позволяет в первой .. группе силовых ключей использовать только один управляемый ключ (тиристор) , который осуществляет отсечку N пар конденсаторов от положительного вывода источника питания. Все осталь- ные силовые ключи первой группы, а также все N-1 силовые ключи второй группы, неуправляемые (диоды) и слу- жат для предотвращения взаимного влияния каскадов друт на друга и предотвращения закорачивания конденсаторов в процессе их дальнейшего перезаряда и разряда. Снижение массы преобразователя происходит за счет исключения схем управления к N-J си-1- ловым ключам первой и второй группы, а также последнего ключа второй груп- пы..

По сравнению с известным предлагаемый преобразователь при одинаковом числе каскадов умножения позволяет передавать большую энергию. Это связано с тем, что в предлагаемом преоб- разователе два конденсатора одного каскада умножения заряжаются так, что один из них заряжается до почти удвоенного напряжения источника питания, а другой до,напряжения,которое теоретически находится в пределах от Un до 2Un, где Un - напряжение источника питания. Далее один из двух конденсаторов одного каскада перезаряжается до обратного по знаку и равного по номиналу напряжения. Поэтому при передаче эквивалентной дозы энергии и сохранении одного и того же уровня выходного напряжения для предлагаемого преобразователя по сравнению с из- вестным потребуется в 3-4 раза меньше каскадов умножения, что позволяет существенно уменьшить массу предлагаемого преобразователя.

В предлагаемом преобразователе с большим уровнем передаваемой мощности (при больших емкостях конденсаторов каскадов и малых временах заряда) индуктивности колебательного конутра заряда, перезаряда и разряда незначительны по массе. Поэтому суммарная масса введенных в предлагаемый преобразователь линейных дросселей, включенных в зарядный, разрядный контур конденсаторов и цепи их перезаряда, а также диодов, не превышает ту, снижение которой по сравнению с известным обеспечивает исключение двух управляемых ключей (8 и 15), схем управления к N-1 силовым ключам первой и второй группы, а также необходимого количества ключей и конденсаторов при каскадном умножении.

Формула изобретения

Преобразователь постоянного напряжения в постоянное, содержащий два входных и два выходных вывода для подключения, соответственно источника постоянного напряжения и нагрузки, четырехполюсник, входом соединенный с входными выводами, а также выходной управляемый полупроводниковый ключ, подключенный анодом к положительному выходу четырехполюсника, состоящего из N поперечных ветвей, двух продольных ветвей, первая из которых включает полупроводниковые ключи первой группы, а вторая - полупроводниковые. ключи второй группы, а также управляемых полупроводниковых ключей третьей группы, причем каждая из поперечных ветвей состоит из конденсатора J аноды полупроводниковых ключей, кроме первого, первой группы объединены в общую точку, анод первого управляемого ключа этой группы соединен с входным выводом для. подключения по-- ложительного полюса источника постоянного напряжения, катоды полупроводниковых ключей второй группы объединены в общую точку, соединенную с входным выводом для подключения отрицательного полюса источника постоянного напряжения, конденсатор первой поперечной ветви одной обкладкой подключен к аноду первого ключа второй группы, конденсатор последней попе- .речной ветви одной обкладкой соединен с катодом, последнего ключа первой группы, каждый из конденсаторов остальных поперечных ветвей включен между катодом соответствующего ключа первой группы и анодом соответствующего ключа второй группы, а каждый из управляемых ключей третьей группы катодом подключен к общей точке соединения катода соответствующего ключа первой группы с конденсатором последующей поперечной ветви, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД и снижения массогаба- ритных показателей, полупроводниковые ключи, кроме первого, первой группы и полупроводниковые ключи второй группы выполнены неуправляемыми, вывод свободной обкладки конденсатора первой поперечной ветви подключен к общей точке соединения анодов ключей первой группы, соединенной с первым отрицательным выходным выводом, и через дополнительно введенный линейный дроссель - к катоду первого ключа первой группы, вывод свободной обкладки конденсатора последней поперечной ветви подключен к общей точке соединения катодов ключей второй группы, параллельно конденсатору каждой поперечной ветви включены допол172510

нительно введенные цепь перезаряда, состоящая из последовательно соединенных перераэрядных линейного дросселя и диода, и цепь, состоящая из последовательно соединенных разделительного диода и дополнительного конденсатора, причем аноды разделительного и перезарядного диодов соединены

JQ с обкладкой конденсатора, включенной в катодную цепь соответствующего ключа первой группы, анод каждого из управляемых ключей третьей группы подключен к общей точке соединения раз(с делительного диода и дополнительного конденсатора, принадлежащих предыдущей поперечной ветви, общая точка соединения разделительного диода и дополнительного конденсатора послед-

20 ней поперечной ветви образует положительный выход четырехполюсника, катод выходного управляемого ключа че- , рез дополнительно введенный выходной линейный дроссель соединен с вторым

25 положительным выходным выводом, а через дополнительно введенный выходной диод - с первым выходным выводом, к которому диод подключен анодом.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в бестрансформаторных импульсных источниках питания различного назначения. Цель изобретения - повышение КПД и снижение массогабаритных показателей. Устройство содержит четырехполюсник 5, включенный между входными выводами 1,2 и через цепочку из тиристора 14-N и дросселя 16 с выходными выводами 3,4. Между последними включен диод 15. Четырехполюсник 5 состоит из двух продольных и N поперечных ветвей. Первая продольная ветвь состоит из тиристора 6-1, соединенного анодом с входным выводом 1, и неуправляемых ключей, соединенных анодами, подключенными к выходному выводу 3. Вторая продольная ветвь включает неуправляемые ключи, катоды которых объединены и подключены к входному выводу 2. Каждая из поперечных ветвей состоит из включенных между анодом ключа второй продольной ветви и катодом ключа первой продольной ветви конденсатора 9, цепи из диода 12 и дросселя 13, и цепи из диода 10 и конденсатора 11, причем первая поперечная ветвь подключена к катоду тиристора 6-1 через дроссель 7. Между поперечными ветвями соответствующим образом включены разрядные управляемые ключи 14. Использование в продольных ветвях только одного управляемого ключа позволило сократить число схем управления ключами, а предложенное построение схемы позволяет при меньшем числе каскадов умножения обеспечить передачу в нагрузку большой по величине энергии. 8 ил.

Фиг2

(ч

°-{Т2 it

nV

.

оя

мШ

0И--

t i-ttk- 1 -т -т.

1 АЬ 1

L&

fcH-fc

1

i

Z о

1

Т

fcH-fcf1

J

-rvvx- vj

Jbv