Преобразователь напряжения Советский патент 1990 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания, в многоячейковых преобразователях.

Цель изобретения - повышение КПД, снижение пульсаций выходного напряжения и уровня генерируемых помех.

На фиг.1 изображена схема преобразователя; на фиг.2 - временные диаграммы его работы; на фиг.З - вариант исполнения первичной цепи трансформаторного узла для случаев (а) и К-З(б).

Преобразователь напряжения (фиг„1) содержит трансформаторньй узел 1, входная цепь 2 и 3 которого подключена через коммутатор 4 к шинам 5 и 6 питающей сети, а выходная 7-10 - к

цепи нагрузки. В трансформаторный узел 1 введены, например, два конденсатора 11 и 12, входная цепь 2 и 3 образована при этом тремя первичными обмотками 13, 14 и 15, выполненными, например, на трех трансформаторах 16, 17 и 18 и соединенными, между собой встречно-последовательно. К началу первой обмотки 13 через конденсатор 11 подключены начала обмоток 14 и 15, а к концу последней обмотки 15 через конденсатор 12 - концы остальных 13 и 14 обмоток. Вторичные обмотхи 19, 20 и 21 подключены к цепи нагрузки через диоды 22, 23 и 24, емкостный фильтр 25 - к сопротивлению 26.

Коммутатор 4 выполнен, например, по мостовой одяотактной схеме на

1

СО

двух ключах 27 и 28 и двух рекупера- ционных диодах 29 и 30. Шины 5 и 6 питающей сети шунтированы конденсатором 31.

На фиг.2 обозначено: 32 - сигнал управления ключами 27 и 28; 33 - напряжение на ключах 27 и 28; 34 - ток через эти ключи.

, Преобразователь работает следующим образом.

При подключении шин 5 и 6 к питающей сети заряжается конденсатор 31, и при одновременном открывании ключей 27 и 28, в качестве которых могут быть использованы как транзисторы, так и тиристоры, начинается процесс заряда конденсатора 11 по цепи ключ 27 - конденсатор 11 - обмотка 15 - ключ 28 - шины 5 и 6 питания и конденсатора 12 по цепи ключ 27 - обмотка 13 - конденсатор 12 - ключ 28 - шины 5 и 6 питания, а также образуется цепь ключ 27 - конденсатор 11 - обмотка 14 - конденсатор 12 - ключ 28 - шины 5, 6 питания. В процессе заряда осуществляется запасание энергии в трансформаторах 16 и 18 и перемагни- чивание трансформатора 17. В нагрузку в это время энергия не поступает. Нарастание тока осуществляется по колебательному закону до тех пор, пока конденсаторы 11 и 12 не зарядятся примерно до половины напряжения источника питания. В это время ток через обмотку 14 трансформатора 17 меняет полярность, а через ключи (также по колебательному закону) ток уменьшается до нуля. Если в данный момент выключить, ключи, то при нулевом токе на ключах будет нарастать напряжение. В нагрузку энергия поступает с момента начала спада тока разряда конденсаторов 11 и 12 через ключ. В таком режиме работы динамические потери в ключах отсутствуют, нет и других фронтов тока, что существенно уменьшает помехи в питающую сеть. Когда ключи закрыты, энергия, запасенная в трансформаторах, поступает в нагрузку и перезаряжает конденсаторы 11 и 12. Если при спаде тока через ключи их не запирать, то в дальнейшем идет накопление энергии в трансформаторах (дросселях) 16 и 18 и прямая передача энергии через трансформатор 17. Конденсаторы 11 и 12 при этом дозаряжаются. В- этой части периода трансформатор 17 работает

5

0

5

0

5

0

с наличием дросселей 16 и 18 в первичной цепи и с прямым включением диода 23 в цепь вторичной обмотки 20. Запирание ключей 27 и 28 осуществляют, при максимальном токе в этом периоде и при нулевом напряжении на ключах,так как конденсаторы 11 к 12 становятся источниками энергии и включены встречно полярности шин 5 и 6 питания. Динамические потери в этом режиме также отсутствуют. Таким образом, на этапе переключения ключей преобразователь работает как резонансный, без динамических потерь, на этапе, когда ключи открыты и закончен процесс заряда конденсаторов, как преобразователь с прямым включением диода, но без дросселя в цепи диода, на этапе, когда ключи выключены, - как преобразователь с обратным включением диода в- цепь нагрузки. Трансформаторы 16 и 18 отдают накопленную энергию на подзаряд конденсатора 25 и в сопротивление 26 нагрузки Н.

Обмотки 13 и 15 могут быть выполнены на одном магнитопроводе, что упрощает вторичную цепь преобразователя. В то же время, когда необходимо увеличить частоту или уменьшить время накопления энергии, используют большее число обмоток (трансформаторов) , рассчитанных на соответствующую часть напряжения источника пита45

50

55

ния„ I

Увеличение числа первичных обмоток и трансформаторов не увеличивает их суммарной габаритной мощности, так как обмотку в первичной цепи рассчитывают на часть напряжения источника питания,а обмотку вторичной цепи на часть тока нагрузки. Расчетная мощность введенных конденсаторов определяется динамическими потерями при переключении ключей, что исключает дополнительные неэкономичные цепи. Динамические потери в предложенном устройстве практически полностью отсутствуют, а на этапе переключения выполняется полезная работа по перемагничиванию трансформатора и переключению диодов выпрямителя за счет накопленной энергии в конденсаторах или индуктивностях трансформаторов. Уменьшен уровень высокочастотных помех, так как исключены крутые фронты тока в цепи питания и нагрузки. Уменьшен уровень пульсаций в нагрузке за счет того, что в нагрузку поступает энергия почти весь период за исключением времени заряда конденсаторов при открытых ключах. Когда открыты ключи, преобразователь работает с прямым включением диода 23, а при закрытых ключах - с обратным включением диодов 22 и 24, Это позволяет дополнительно уменьшить фильтр и исключить в выходной цепи индуктивность. Надежность преобразователя повышается за счет того, что формируется благоприятная траектория переключения ключей, которые не выходят из области безопасных режимов работы. Транзисторные ключи не подвержены вторичному пробою, и, следовательно, удается использовать максимальные параметры, определяемые паспортными данными с. Обеспечивается-более благоприятная коммутация диодов в цепи нагрузки и больший коэффициент их использования. При выполнении преобразователей с низковольтным сильноточным выходом не требуются сильноточные дроссели фильтров, что также уменьшает габариты. Принципиально возможно выполнение трансформаторов с двумя обмотками, что упроппет конструкцию и повышает технологичность в производстве. Нет необходимости осуществлять деление токов в диодах выпрямителя, рассчитанных на ток меньший, чем ток в нагрузке. Преобразователь обладает естественным токоогра- ничением, что упрощает систему управления и повышает надежность. В каче5717316

стве коммутатора 4 может быть использована и мостовая двухтактная . Число вводимых элементов определя, ется из условия необходимых выходных параметров преобразователя при одно- . типных трансформаторах. Если общий коэффициент трансформации преобразователя большой (малый уровень напряЮ жения в нагрузке), то в отдельном трансформаторе он может быть единичным, что существенно повышает коэффициент связи между обмотками, улучшает унификацию элементов, что важно в массовом производстве.

15

Формула изобретения

Преобразователь напряжения, содержащий трансформаторный узел$ входная

цепь которого подключена к выходу ключевого коммутатора, входом подключенного к входным выводам, отличающийся Tei-s, что, с целью повышения КПД и снижения пульсаций

выходного напряжения и уровня генерируемых радиопомех, в трансформаторный узел введены 2К конденсаторов, а его входная цепь образована (2К + 1) первичными обмотками, выполненными по

крайней мере на двух сердечниках и соединенными между собой встречно последовательно, причем к началу первой обмотки через соответствующий из 2К конденсаторов подключены начала остальных 2К первичных обмоток, а к

концу последней через другие из 2К конденсаторов - концы других 2К пер- вичных обмоток.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания, в многоячейковых преобразователях. Цель изобретения - повышение КПД и снижение пульсаций выходного напряжения и уровня генерируемых радиопомех. В трансформаторный узел 1, входная цепь которого образована (2K + 1) первичными обмотками 13, 14, 15, выполненными на двух или нескольких трансформаторах, введены 2K конденсаторов 11 и 12. Преобразователь сочетает в себе функции резонансного преобразователя и преобразователей с прямым и обратным включением диода. 3 ил.

а

о- 2

5f

JoСоставитель С.Коняхин Редактор Л.Веселовская Техред м.Ходанич Корректор Э. Лончакова

Заказ 1520

Тираж 499

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

фигЗ

Подписное