Однотактный преобразователь напряжения Советский патент 1990 года по МПК H02M3/335 

Фиг.1

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в регулируемых источниках вторичного электропитания, в преобразователях с многоячеистой структурой.

На фиг. 1 показана структурная схема предложенного однотактного преобразователя напряжения; на фиг. 2 -схема преобразователянапряжениястрансформаторным узлом, включенным последовательно с ключевым элементом, и с обратным включением дирда выпрямителя в цепи нагрузки; на фиг. 3 - схема преобразователя, с предложенным трансформаторным узлом, включенным параллельно ключевому элементу коммутатора; на фиг. 4- трансформаторный узел, выполненный на трех трансформаторах и четырех первичных обмотках во входной цепи; на фиг. 5-осциллограммы на транзисторном ключе коммутатора,

Однотактный преобразователь напряжения содержит (фиг. 1) трансформаторный узел 1, входная цепь 2, 3 которого подключена к коммутатору 4 на ключевых элементах 5, а выходная 6, 7 - к нагрузке 8. Трансформаторный узел 1 выполнен, например, на двух конденсаторах 9 и 10, одном диоде 11 и двух первичных обмотках 12 и 13, например, одного трансформатора 14, Первичные обмотки 12 и 13 соединены через диод 11 согласно-последовательно между собой. К началу обмотки 12 через конденсатор 9 подключено начало обмотки 13, а к концу обмотки 13 через конденсатор 10 - конец обмОтки 12, Коммутатор 4 через фильтр 15 подключен к питающим шинам 16 и 17.

Коммутатор 4 может быть выполнен по любой из известных схем, например на двух транзисторах и двух рекуперационных диодах (мостовая однотактная схема). В этой схеме при любых режимах работы напряжение на ключевых элементах не превышает напряжения с выхода фильтра 15.

Для примера на фиг. 2 показана наиболее простая электрическая схема преобразователя на одном транзисторном ключе 5. Выходная цепь 6, 7 трансформаторного узла 1 подключена через диод 18 и конденсатор 19 к сопротивлению 20 нагрузки 8. К питающим шинам 16 и 17 подключен фильтр 15 на конденсаторе 21,

На фиг. 3 трансформаторный узел 1 подключен параллельно ключевому элементу 5, выполненному, например, на полевом транзисторе. При коммутации транзистора 5 ограничение тока разряда конденсатора 21 обеспечивает дроссель 22. Фильтр 15 ватой схеме выполнен по Г-образной схеме из емкости 21 и индуктивности 22. К выходной цепи сопротивление 20 нагрузки подключено непосредственно,

На осциллограммах фиг. 5 позицией 23 5 обозначено напряжение на транзисторном ключе 5 (фиг, 2), позицией 24 - ток через транзисторный ключ 5.

Преобразователь по схеме на фиг. 2 работает следующим образом.

0На первом этапе транзисторный ключ 5

закрыт, конденсаторы 9, 10 и 19 разряжены, а конденсатор 21 заряжен до напряжения источника питания. При открывании ключа 5, момент ti (фиг. 5), по колебательному за5 кону начинается процесс заряда конденсаторов 9 и 10 и плавное нарастание тока 24 через ключ 5. Скорость нарастания тока ограничена индуктивностью трансформатора 14. Когда в момент t2 напряжение на кон0 денсаторах 9 и 10 достигнет величины половины напряжения на конденсаторе 21, открывается диод 11 и до момента t3 преобразователь работает так же.,как и при отсутствии элементов 9, 10 и 11, При обратном

5 включении диода 18 энергия питающей сети в это время запасается в индуктивности трансформатора 14, В момент t3 ключ.5 запирается при нулевом напряжении на нем и максимальном (в этом полупериоде) токе.

0 Затем конденсатор 9 разряжается на обмотку 12 через диод 11, а конденсатор 10 - на обмотку 13 через диод 11. Запасенная энергия в трансформаторе 14 через диод 18 под- заряжает конденсатор 19, который

5 поддерживает постоянное напряжение на сопротивлении 20 нагрузки в течение оставшейся части периода. Запасенная энергия в обмотках трансформатора также перезаряжает конденсаторы 9 и 10 через диод 11 (t4,

0 фиг. 5), После прекращения тока в выходной цепи 6, 7 преобразователь готов к следующему циклу работы. Процессы переключения трансформатора 14 из режима накопления в режим отдачи энергии в на5 грузку осуществляются по колебательному закону, что уменьшает спектр высших гармоник как в цепи питания 16,17, так и в цепи нагрузки 6, 7. Время перезаряда конденсаторов 9 и 10 можно регулировать, изменяя

0 их величину. Величина емкости этих конденсаторов обусловливает форму тока через ключ 5.

Подключение трансформаторного узла параллельно ключевому элементу 5 (фиг. 3)

5 практически не изменяет формы тока и напряжения на ключевом элементе. При закрытом транзисторе 5 конденсаторы 9 и 10 заряжены. В момент отпирания ключа 5 через него м индуктивность 22 начинает протекать ток разряда конденсатора 21 и

питающей сети по шинам 16 и 17, а также ток разряда конденсаторов 9 и 10 через обмотки 12 и 13 трансформатора 14. В выходную цепь 6, 7 и нагрузку поступает энергия, запасенная в конденсаторах 9 и 10. После того, как конденсаторы 9 и 10 разрядятся, а ток через дросель 22 достигнет максимальной величины, запирается ключ 5. В момент запирания ключа 5 на нем присутствует минимальное напряжение (падение на диоде 11). Запасенная энергия дросселя 22 по колебательному (или линейному) закону заряжает конденсаторы 9 и 10 через диод 11 и передается в нагрузку 20 через трансформатор 14, так как в процессе заряда конденсаторов 9 и 10 ток дросселя 22 поступает в обмотки 12 и 13. При определенных соотношениях индуктивности дросселя 22 и конденсаторов 9 и 10 в нагрузке можно получить синусоидальный ток.

В ряде случаев необходимо форсированное накопление энергии в индуктивности нагрузки, т.е. накопление энергии за малый промежуток времени по отношению к периоду. При выполнении преобразователя с обратным включением диода 18 (фиг. 2) выпрямителя при параллельном соединении вторичных обмоток трансформаторов (фиг. 4) удается значительно быстрее зарядить конденсатор 19 фильтра до требуемого уровня напряжения. 8 этом случае при меньшем коэффициенте заполнения импульсов в первичной цепи наблюдается большой коэффициент заполнения импульсов тока во вторичной цепи, а следовательно, меньший коэффициент пульсаций, что важно для систем вторичного электропитания.

При работе преобразователя на индуктивную нагрузку 8 для быстрой смены полярности протекающего тока нагрузки предпочтительнее использовать трансформаторный узел, выполненный по схеме на фиг. 4, так как в момент ti к нагрузке приложено напряжение, в k раз большее, чем в обычном трансформаторе, и, следовательно, примерно в k раз быстрее изменяется полярность выходного тока.

Большую часть периода транзисторный ключ закрыт и, следовательно, можно использовать его импульсные характеристики по току без ухудшения тепловых режимов. Принцип работы схемы остается прежним за исключением того, что первичная цепь выполняется многокаскадной (фиг. 4), а заряд конденсаторов осуществляется до меньшего напряжения.

Раздельное выполнение трансформаторов позволяет уменьшить паразитные параметры обмоток, что уменьшает

высокочастотные колебания е мог--1ент ti, когда открывается ключ 5. Двухобмоточные трансформаторы более технологичны в производстве, что важно при многоканэльном

5 выхода.

Число обмоток k определяется числом

трансформаторов, а их число определяется

из условия необходимого коэффициента

трансформации при параллельном соедине10 ими вторичных обмоток.

При единичном коэффициенте трансформации получается максимальный коэффициент связи между обмотками. Изменяя иcлo трансформаторов, можно получить

15 разл1 1чные уровни напряжений на нагрузке. В некоторых случаях число трансформаторов определяет число нагрузок. Таким образом, при однотипном трансформаторе можно получить ряд преобразовательных

0 устройств с различными уровнями выходных параметров, что повышает технологичность и унификацию при массовом про 13Бодстве.

Таким образом, предложенное устрой5 ство позволяет исключить Д1 1намические потери практически-полностью, что повышает надежность, уменьшает уровень гене- рируемых высокочастотных помех и позволяет в несколько раз увеличить часто0 ту преобразования на применяемой в прототипе элементной базе. Значительно сокращается вероятность вторичного пробоя биполярных транзисторных ключей. Транзисторные ключи позволяют увеличить

5 ток, что повышает выходную мощность. Преобразователь обладает большим диапазоном регулирования без динамических потерь с помощью широтной модуляции.

Предложенный преобразователь рабо0 тает в моменты коммутации как резонансный, а оставшуюся часть периода - как обычный инвертор напряжения. Трансформаторный узел 1 можно включать параллельно ключевь1м элементам (фиг. 3) и в

5 известных схемах преобразователей, что также уменьшает динамические потери, которые в данном случае превращаются е полезную энергию, что повышает КПД и коэффициент использования ключевых эле0 ментов.

Формула изобретения Однотактный преобразователь напряжения, содержащий трансформаторный 5 узел, входная цепь которого подключена к выходу ключевого коммутатора, вход которого соединен с входными выводами преобразователя, а выходная цепь - с выходными выводами, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД и снижения уровня

генерируемых радиопомех, в трансформаторный узел введены 2(k-1) конденсаторов и (k-1) диодов, а его входная цепь образована k первичными обмотками, выполуказанные диоды последовательно-согласно между собой, к началу первой первичной обмотки через (k-1) конденсаторов подключены начала (k-1) первичных обмоток, а к

ненными на одном или нескольких 5 концу последней также через (k-1) конденса- трансформаторах и соединенными через торов - концы (k-1) первичных обмоток.

указанные диоды последовательно-согласно между собой, к началу первой первичной обмотки через (k-1) конденсаторов подключены начала (k-1) первичных обмоток, а к

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в регулируемых источниках вторичного электропитания, в преобразователях с многоячейковой структурой. Цель изобретения - повышение КПД и снижение уровня генерируемых радиопомех. Преобразователь содержит трансформаторный узел 1, входная цепь которого подключена к выходу ключевого коммутатора 4, а выходная - к выходным выводам. Входная цепь образована K первичными обмотками, выполненными на одном или нескольких трансформаторах 14 и соединенными через (K - 1) введенных диодов 11 согласно-последовательно между собой, к началу первой обмотки через 2 (K - 1) введенных конденсаторов 9 подключены начала остальных обмоток, а к концу последней через конденсаторы 10 - концы остальных обмоток. Это позволяет использовать преобразователь на этапе переключения как резонансный, т.е. без динамических потерь, а на основной части периода как обычный преобразователь с прямым или обратным включением диода. 5 ил.

16 I

Фиг. г

Л

6.2