Преобразователь напряжения Советский патент 1991 года по МПК H02M7/538 

фиг1

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах вторичного электропитания и электропровода.

Цель изобретения - повышение КПД и надежности путем уменьшения динамиче- .ских потерь при замыкании силового ключа,

На фиг. 1 и 2 показана отнотактная и двухтактная полумостовые схемы предлагаемого преобразователя напряжения соответственно: на фиг. 3 - диаграммы токов и напряжений для-схемы на фиг, 1; на фиг. 4 и 5 - диаграммы токов и напряжений для схемы на фиг. 2.

В схеме на фиг, 1 последовательно соединенные конденсатор 1 и первый диод 2 включены параллельно силовому ключу 3, выполненному, например, в виде транзистора, Рекуперационный трансформатор 4 первичной обмоткой 5 включен между первым входным выводом преобразователя, к которому подключен источник 6 питаниями точкой соединения конденсатора 1 и диода 2. Вторичная обмотка трансформатора 4 через второй диод 7 включена параллельно источнику 6 питания. Дроссель 8 включен между упомянутым выводом источника 6 питания и выводом силового ключа 3, соединенным с диодом 2. Нагрузка 9, зашунтиро- ванная обратным диодом 10, подключена между другим выводом источника б питания и выводом силового ключа 3, соединенным с конденсатором 1.а

В схеме на фиг. 2 цепи снижения динамических потерь мощности, подключенные к силовым ключам 3.1 и 3.2, отличаются от цепи, показанной на фиг. 1, лишь наличием дополнительно введенных диодов 11.1 и 11.2, включенных параллельно первичным обмоткам 5.1 и 5.2 трансформаторов 4.1 и 4.2. Обратные диоды 10.1 и 10.2 включены параллельно силовым ключам 3.1 и 3.2, а RL-нагрузка 9 включена между точкой соединения этих ключей и средней точкой емкостного делителя напряжения, образованного последовательно соединенными конденсаторами 12 и 13, подключенными параллельно источнику 6 питан ия.

При изображении коммутационных процессов (фиг. 3-5) использованы следующие обозначения: Un - напряжение источника 6 питания; U0 Un n, где n - отношение количества витков первичной и вторичной обмоток трансформатора 4; )н - ток нагрузки 9, который в течение коммутационных процессов полагается неизменным. Индексы токов и напряжений на фиг. 3-5 соответствуют номеру элемента на фиг, 1 и 2.

Рассмотрим коммутационные процессы (фиг. 3), которые протекают в схеме на

фиг. 1 при замыкании в момент to и размыкании в момент ts транзистора 3.

На интервале от to и ti ток нагрузки 9 переходит из обратного диода 10 в дроссель

8, напряжения на котором при этом равно Un. Конденсатор 1 остается заряженным до напряжения Un + Uo,

В момент ti обратный диод 10, закрывается и в контуре конденсатор 1 - силовой

ключ 3 - дроссель 8 - первичная обмотка 5 трансформатора 4 начинается колебательный процесс, в результате которого конденсатор 1 разряжается, При этом к первичной обмотке 5 трансформатора 4 прикладывается напряжение U0, а к вторичной - напряжение Un и через эту обмотку, а также открывшийся диод 7 часть энергии конденсатора 1 возвращается в источник 6 питания,

В момент т.2 напряжение на дросселе 8

становится равным нулю, конденсатор 1 разряжается до напряжения Uo, а ток его разряда достигает максимального значения

5

0

5

5

5

VcT Im Un v-, где С - емкость конденсатора

1; L - индуктивность дросселя 8. Затем разряд конденсатора 1 продолжается, напряжение на дросселе 8 меняет знак и ток в нем начинает спадать.

В момент t3 конденсатор 1 разряжается до нуля, открывается диод 2 и колебательный процесс в цепи прекращается. В результате того, что часть тока дросселя 8

через диод 2 протекает по первичной обмотке 5 трансформатора 4, к дросселю 8 прикладывается напряжение Uo и в течение интервала его ток спадает до величины тока нагрузки 9. На этом интервале вся энергия, перешедшая из конденсатора 1 в дроссель 8, через вторичную обмотку трансформатора 4 и диод 7 возвращается в источник 6 питания.

В момент t4 токи обмоток трансформатора 4 спадают до 0, диоды 2 и 7 закрываются, напряжение на дроссель 8 становится равным нулю, а его ток - равным току нагрузки 9. На этом коммутационные процес- 0 сы, возникающие при замыкании ключа 3, завершаются,

На интервале от ts до te конденсатор 1 заряжается до напряжения Un током нагрузки 9, протекающим также через диод 2 и дроссель 8.

В момент te открывается обратный диод 10 и в цепи нагрузка 9 - обратный диод 10 - конденсатор 1 - диод 2 - дроссель 8 начинается колебательный процесс, в результате которого ток дросселя 8 уменьшается, ток

обратного диода 10 на такую же величину увеличивается, а конденсатор 1 к моменту t заряжается до напряжения Un + Uo. В момент t колебательный процесс в цепи прекращается, ток нагрузки 9 полностью переходит в обратный диод 10, к дросселю 8 прикладывается напряжение -U0, а его ток, линейно спадая, протекает через диод 2 по первичной обмотке 5 трансформатора 4. В течение интервала вся энергия, запасенная дросселем 8, возвращается в источник 6 питания.

В момент te ток дросселя 8 и токи отЗмо- ток трансформатора 4 спадают до нуля, диоды 2 и 7 закрываются и напряжение на дросселе 8 становится равным нулю. На этом коммутационные процессы, вызванные размыканием силового ключа 3 завершаются, и схема переходит в исходное состояние (предшествующее моменту to).

Следует отметить, что если в течение разомкнутого состояния ключа 3 конденсатор 1 будет заряжаться до напряжения меньшего, чем Un, то в рассмотренных выше коммутационных процессах будут отсутствовать интервалы te - te и to - ti. При этом после размыкания ключа 3 ток нагрузки 9 не будет закорачиваться через обратный диод 10, ток дросселя 8 не будет спадать до нуля, а в момент замыкания ключа 3 величины напряжения Us и Ui будут меньшими, чем показано на фиг. 3.

Особенности работы устройства при выполнении преобразователя по двухтактной полумостовой схеме.

При отсутствии тока нагрузки (режим холостого хода) коммутационные процессы в схеме преобразователя, показанного на фиг. 2, вызываются только замыканием силовых ключей. На фиг. 4 представлены процессы, протекающие, например, при замыкании в момент ti силового ключа 3.2. Эти процессы отличаются от процессов, представленных на фиг. 3 (с учетом, что н 0), лишь тем, что на интервале на ti - ta ток дросселя 8.2 делится поровну между конденVL C

саторами 1.1 и 1.2. Приэтом lm Un

ток конденсатора 1.1 протекает через диод 11.1.

При наличии тока нагрузки коммутационные процессы в схеме двухтактного инвертора (фиг. 2) протекают так, как показано на фиг. 5. Здесь отличия от фиг. 3 появляются вследствие того, что в момент размыкания силового ключа 3.1 одновременно с ним замыкается силовой ключ 3.2.

В этом случае в момент ti ток нагрузки 9 переходит в диод 2.1 и конденсатор 1.1. Сумма напряжений на конденсаторах 1 1 и 1.2 в этот момент равна Un J Uo На интер- 5 вале от ti до г в цепях дроссель 8.1 - диод 2,1 - конденсатор 1,1 и силовой ключ 3.2 - дроссель 8.2 - первичная обмотка 5.2 трансформатора 4.2 - конденсатор 1.2 возникает колебательный процесс, в ходе которого 0 происходит перераспределения тока нагрузки 3 между упомянутыми конденсаторами. На указанном интервале зарядный ток конденсатора 1.1 превышает разрядный ток конденсатора 1. 2, поэтому сумма напряже5 ний на этих конденсаторах возрастает и в момент t2 достигнет значения Un + 2U0.

В момент t2 напряжения на дросселе 8.1, а следовательно, и на первичной обмотке 5.1 трансформатора 4.1 становится ра0 вным U0. Ток конденсатора 1.1 скачкообразно уменьшается, а ток конденсатора 1.2 скачкообразно увеличивается до значения, равного полусумме токов нагрузки 9 и дросселя 8.2. В течение интервала t2-taтоки кон5 денсаторов 1.1 и 1.2 нарастают, оставаясь одинаковыми по величине, а часть линейно спадающего тока дросселя 8.1 протекает по первичной обмотке 5.1 трансформатора 4. При этом через вторичную обмотку этого

0 трансформатора и открывшийся диод 7.1 некоторая часть энергии, запасенная дросселем 8.1, возвращается в источник 6 пита- ния.

К моменту t3 конденсатор 1.1 заряжэет5 ся до напряжения Un + U0, а конденсатор 1.2 разряжается до напряжения Uo. В этот момент напряжение на дросселе 8.2 меняет знак, а его ток, а следовательно, и токи перезаряда конденсаторов 1.1 и 1.2 начинают

0 спадать.

В моментт,4 конденсатор 1.1 заряжается до напряжения Un + Uo, конденсатор 1.2 разряжается до нуля и колебательный процесс перезаряда этих конденсаторов закан5 чивается. Через открывшиеся диоды 2.2 и 10.2 токи дросселя 8.2 и нагрузки 9 начинают протекать по первичной обмотке 5.2 трансформатора 4.2. На интервале t4-ts к дросселю 8.2 прикладывается напряжение

0 Uo, поэтому его ток линейно спадает и к моменту ts становится равным нулю.

В течение интервала ts-t происходит переход тока нагрузки 9 из первичной обмотки 5.2 трансформатора 4.2 в дроссель

5 8.2. В момент te завершается вывод энергии из дросселя 8.1 в источник 6 питания. Ток дросселя 8.1 и напряжение на нем становятся равными нулю, а диод 2.1 закрывается,

К момеНту t ток нагрузки 9 полностью переходит в дроссель 8 2 напряжение на

котором в этот момент по-прежнему равно -Do.

Затем в результате колебательного процесса часть тока дросселя 8.2 на интервале протекает через конденсатор 1.1 и первичную обмотку 5.1 трансформатора 4.1, а на интервале ts-tg еще и через конденсатор 1.2 и диод 11.2. В момент ts конденсатор 1.1 разряжается до напряжения Un + U0 и ток дросселя 8.2 достигает максимального значения, а напряжение на нем меняет знак.

Вследствие того, что на интервале часть энергии колебательного контура через вторичную обмотку трансформатора 4.1 и диод 7.1 передается в источник 6 питания, к моменту tg конденсатор 1.2 заряжается до напряжения меньшего, чем Do, а конденсатор 1.1 разряжается до напряжения на такую же величину меньшего, чем Un + U0.

В момент tg ток дросселя 8.2 становится равным току нагрузки 9, напряжение на нем - равным нулю, а диоды 7.1 и 11.2 закрываются. На этом коммутационные процессы в схеме завершаются.

При реализации рассмотренных преобразователей напряжения Do, определяемое соотношением витков в обмотках трансформаторов 4 (фиг. 1) или 4.1,4.2 (фиг, 2), следует выбирать таким, чтобы вывод энергии из любого дросселя всегда завершался до момента очередного замыкания соединенного с ним силового ключа.

Формула изобретения

1.Преобразователь напряжения, содержащий в каждом плече силовой ключ, первый силовой вывод которого соединен с

выходным выводом преобразователя, а второй силовой вывод - с первым выводом первого диода, второй вывод которого через конденсатор соединен с первым силовым выводом силового ключа, рекуперэционный

трансформатор, первичная обмотка которого первым выводом соединена с первым входным выводом, а вторичная через второй диод включена между первым и вторым входными выводами, и дроссель, о т л и ч аю щ и и с я тем, что, с целью повышения КПД и надежности путем уменьшения динамических потерь при замыкании силового ключа, дроссель включен между вторым силовым выводом силового ключа и первым

входным выводом преобразователя, а второй вывод первичной обмотки рекупераци- онного трансформатора подключен к второму выводу первого диода.

2.Преобразователь по п. 1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что, с целью улучшения

массогабаритных показателей путем убыстрения процессов перезаряда реактивных элементов при выполнении преобразователя по двухтактной полумостовой схеме, в каждом плече введен третий диод, включенный параллельно первичной обмотке реку- перационного трансформатора и встречно по отношению к первому диоду.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах вторичного электропитания и электропривода. Цель изобретения - повышение КПД и надежности путем уменьшения динамических потерь при замыкании силового ключа. Силовой ключ, например транзистор3, шунтирован цепочкой из последовательного соединенных конденсатора 1 и первого диода 2. При выключении транзитора 3 происходит медленный заряд конденсатора 1. благодаря чему исключаются потери мощности в транзисторе 3. При включении транзистора 3 его ток нарастает замедленно благодаря дросселю 8. После включения транзистора 3 происходит разряд конденсатора 1 через дроссель 8. Энергия, накопления в дросселе 8, отдается в источник питания 6 через ре- куперационный трансформатор 4 и первый 2 и второй 7 диоды. 1 з.п.ф-лы, 5 ил.

Фиг. 2

f г, J;

1 i

4«

; jfj

т

ч ч

HI

4 Sf

Ч 9 5

nn s

Г f

k±

-) f

су,

1 пч

Д

| Ш1

«7

t} г

/

г; г, /г

°п+°(

У

Л

f г, J;

i

4«

/«7

//;

ISn

tj jfj

u/Il

ISi

Ц П

°ч

Ц1

Si

;л

ил

ОИ4-

-ih

г ч

м

г П о;

.))

8/1

-

8/

w

1И0691