Преобразователь напряжения Советский патент 1982 года по МПК H02M7/537 H03K17/60 

(5+) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ

Изобретение относится к электротехнике, в частности к бесконтактным системам преобразования электрическо энергии. Известен преобразователь напряжения, содержащий силовой ключ и нагру ку индуктивного характера с цепью ограничения напряжения на силовом ключе при его запирании l Недостаток известного устройства заключается в значительных потерях энергии при отпирании из-за протекания обратного тока через коммутирующий диод и при запирании из-за быстрого нарастания напряжения на запирающемся силовом управляемом ключе, вызванного индуктивным харак;тером нагрузки. Наиболее близким по технической сущности является преобразователь на пряжения, содержащий силовой управляемый ключ, нагрузку, магнитный реактор и диод, в котором нагрузка, соединенная первым выводом с первым зажимом источника питания, вторым выводом соединена с первым электродом выходной цепи силового управляемого ключа через первичную обмотку магнитного реактора, второй электрод выходной цепи силового управляемого ключа соединен со вторым зажимом источника питания, а вторичная обмотка магнитного реактора и диод соединены последовательно 2j. Недостатком известного устройства является возникновение;значительных коммутационных потерь энергии при запирании силового управляемого ключа из-за скачкообразного нарастания напряжения на запирающемся силовом управляемом ключе, обусловленного индуктивным характером нагрузки последовательное выходной цепью этого ключа. Цель изобретения - повышение КПД и надежности путем улучшения траектории переключения. 39 Поставленная цель достигается тем, что преобразователь напряжения, содержащий силовой управляемый ключ, нагрузку, магнитный реактор и диод, в котором нагрузка, соединенная первым выводом с первым зажимом источни ка питания, вторым выводом подключена к первому электроду выходной цепи силового управляемого ключа через первичную обмотку магнитного реактора, второй электрод выходной цепи силового управляемого ключа соединен со вторым зажимом источника питания, а вторичная обмотка магнитного реактора и диод соединены последовательно, дополнительно введен конденсатор указанный конденсатор через первичну обмотку магнитного, реактора подключе паралелльно выходной цепи силового управляемого ключа, а цепь из соединенных последовательно вторичной обмотки магнитного реактора и диода включена параллельно конденсатору. В первом варианте устройства нагрузка выполнена в виде последовательной RL-цепи, шунтированной коммутирующий диодом. Во втором варианте устройства на груйка выполнена в виде первичной обмотки трансформатора, у которого вторичная обмотка через выпрямитель подключена параллельной RC-цепи, а вторичная обмотка магнитного реактора выполнена в виде двух секций, причем число витков первой секции выбрано равным числу витков первичной обмотки магнитного реактора, а вторая секция и соединенный с ней последовательно диод шунтированы дополнительным диодом. На фиг. 1 представлен преобразова тель напряжения, первый на фиг. 2 - то же, второй вариант. Схемы содержат первый и второй за жимы источника питания 1 и 2,. нагрузку 3, силовой управляемый ключ k, магнитный реактор 5 с первичной 6 и вто ричной 7 обмотками, диод 8 конденсатор 9. В схеме на фиг. 1 нагрузка 3 содержит последовательную RL-цепь 10-1 шунтированную коммутирующим диодом 12 В схеме на фиг. 2 нагрузка 3 содержит трансформатор 13 с обмотками k и 15, выпрямитель 16 и параллельную RC-цепь 17, а вторичная обмотка 7 магнитного реактора 5 выполнена в виде двух секций, причем цепь из со- единенных последовательно второй секции обмотки 7 и диода 8 шунтирована дополнительным диодом 18. В схемах на фиг. 1 и 2 с первым и вторым зажимами 1 и 2- источника питания соединены соответственно первый вывод нагрузки 3 и второй электрод выходной цепи силового управляемого ключа . В магнитном реакторе 5 первичная обмотка 6 первым выводом (началом) соединена со вторым выводом нагрузки 3, а концом - с первым электродом выходной цепи силового управляемого ключа k. Вторичная обмотка 7 магнитного реактора 5 концом соединена с началом первичной обмотки 6, а началом через диод 8 со вторым зажимом 2 источника питания. Цепь из соединенных последовательно вторичной обмотки 7 и диода 8 шунтирована конденсатором 9. В схеме на фиг. 1 между первым зажимом 1 источника питания и началом первичной обмотки 6 магнитного реактора 5 включены последовательная RL-цепь 10 и 11 и коммутирующий диод 12, соединенные параллельно и образующие в совокупности нагрузку 3. В схеме на фиг. 2 трансформатор 13, первичная обмотка 1 которого включена между первым зажимом 1 источника питания и началом первичной обмотки 6 магнитного реактора 5, а вторичная обмотка 15 через выпрямитель 16 подключена к параллельной RC-цепи 17, образует нагрузку 3 преобразователя. Вторичная обмотка 7 магнитного реактора 5 выполнена в виде двух секций, из которых первая, конец которой соединен с началом первичной обмотки 6 магнитного реактора 5, выполнена с числом витков, равным числу витков первичной обмотки 6, а цепь из соединенных последовательно второй секции вторичной обмотки 7 и диода 8 шунтирована дополнительным диодом 18. Принцип действия предлагаемого устройства в своей основе одинаков для схем на фиг. 1 и 2, и поэтому он рассматривается на примере схемы, представленной на фиг. 1. При непров&дяшем состоянии силового управляемого ключа k ток последовательной RL-цепи 10-11 замыкается через коммутирующий диод 12. При переходе силового управляемого ключа 4 в проводящее состояние потенциал на конце первичной обмотки 6 понижается практически до нуля, и К первичной обмотке 6 прикладывается напряжение питания. Ток силового управляемого ключа, являющийся одновременно током первичной обмотки 6 магнитного реактора 5, начинает нарастать по линейному закону, а скорость роста тока определяется индуктивностью обмотки 6 и величиной напряжения питания Е. По мере роста тока силового ключа 4 уменьшается ток через коммутирующи диод 12. Пока последний остается в состоянии высокой проводимости, не изменяется потенциал на начале первичной обмотки 6, т.е. напряжение на конденсаторе 9 остается неизменным. Когда в процессе нарастания ток силового управляемого ключа достигает значения тока дросселя последовательной RU-мепи 10-11, изменяетс направление тока через коммутирующий диод 12.Через промежуток времени после перемены направления тока в ди оде 12, определяемый инерционностью этого диода, восстанавливаются вентильные свойства диода, т.е. он переходит в состояние низкой проводимости. С этого момента начинается разряд конденсатора 9 через первичную обмотку 6 магнитного реактора 5. За время работы коммутирующего диода 12 в состоянии высокой проводимости и за время разряда конденсатора 9 через обмотку 6 и силовой ключ в магнитном реакторе накапливается энергия. Энергия, ранее накоп ленная в конденсаторе Э передается в реактор 5. Когда напряжение на конденсаторе 9 падает за счет энергии, переданной в реактор, на его обмотках возникает ЭДС электромагнитной индукции и диод ранее запертый напряжением на конден саторе 9 и на вторичной обмотке 7 магнитного реактора 5, переходит в состояние высокой проводимости. С мо мента отпирания диода 8 прекращается накопление энергии в магнитном реакторе. Наоборот накопленная энергия начинает выделяться в диоде 8 и в выходной цепи силового управляемого ключа k, работающего в состоянии высокой проводимости. Однако процесс отдачи энергии происходит многократн медленнее, чем процесс ее накопления в магнитном реакторе из-за незначительности падения напряжения на диоде 8 и силовом управляемом ключе k В сравнении с напряжением питания Е, до которого заряжается конденсатор -9 во время работы силового управляемого ключа 4 в режиме низкой проводимости. Поэтому к моменту перехода силового управляемого ключа k из состояния высокой проводимости в состояние низкой проводимости (в процессе такого перехода начинает уменьшаться ток силового управляемого ключа 4) энергия в реакторе оказывается практически нерастраченной, что выражается в сохранении м.д.с. в сердечнике реактора. Тогда уменьшение тока через первичную обмотку 6 реактора 5 вызывает появление тока (нарастающего по величине) во вторичной обмотке 7, и этим током, а также током нагрузки 3 конденсатор 9 заряжается. Ограниченность тока обмотки 7 и тока нагрузки 3, заряжающих конденсатор 9, означает, что напряжение на нем нарастает плавно. Соответственно плавно нарастает напряжение на силовом управляемом ключе 4, так как UK Uoti + () , где Uj и и ц - напряжения на конденсаторе 9 и силовом управляемом ключе А соответственно. .Постепенность нарастания напряжения на силовом управляемом ключе 4 обусловливается незначительные коммутационные потери во время процесса запирания, когда происходит снижение тока через ключ. Это же приводит к уменьшению вероятности вторичного пробоя, т.е. к повышению надежности функционирования устройства. Когда конденсатор 9 заряжается до напряжения питания Е, отпирается коммутирующий диод 12. С этого момента энергия, накопленная в магнитном реакторе 5, частично переданная в конденсатор 9 во время его заряда, возвращается в источник питания. При этом ток протекает по последовательной цепи, образованной, диодом 8, вторичной обмоткой 7 магнитного реактора 5 и коммутирующим диодом 12, Работа устройства, изображенного на фиг. 2, происходит аналогично. Отличие состоит в том, что при нарастании тока первичной обмотки 6 магнитного реактора, являющегося одновременно током силового управляемого ключа 4, а также током первичной обмотки И трансформатора 13, сначала уменьшается, а затем изменяет направление ток через выпрямитель 16. При этом ток силового управляемого ключа нарастает плавно и остается во время ограниченным из-за действия индук тивности первичной обмотки 6 магнит ного реактора 5. Этим обуславливаются малые коммутационные потери в силовом ключе k и выпрямителе 16 за время восстановления вентильных свойств диодов выпрямитель 16. После восстановления вентильных свойств диодов выпрямителя 16 начинается процесс разряда конденсатора 9 и накопленная в нем энергия передается в реактор 5. Процессы при запирании силового управляемого ключа k происходят аналогично с той разницей, что заряд конденсатора 9 происходит до напряжения (Е + 14 напряжение на первичной обмотке 1 трансформатора 13. После окончания заряда конденсатора 9 начинается протекание тока по последовательной цепи, образованной диодом 8, вторичной обмоткой 7 магнитного реактора 5 и обмоткой 1 трансформатора 13. При этом энергия, накопленная в реакторе и частично переданная в конденсатор 9 при его заряде, возвращаетсяgS источник питания- и, кроме того, через трансформатор 13 передается на его вторичную сторону. Подъем напряжения U| на силовом управляемом ключе k при его запирании от начального нулевого значения обусловлен тем, что между вторичной обмоткой магнитного реактора и его первичной обмоткой имеется магнитная - 1 111/1 Wf, связь, из-за которой U . и,( i + - WT где и - мгновенное значение напряже ния на конденсаторе 9 в процессе его заряда. Записанное соотношение справедливо только при 100% магнитной связи между обмотками 6 и 7 магнитно го реактора 5- Между тем, с точки зр ния уменьшения напряжения на заперто ключе и уменьшения рассеяния энергии переданной в реактор из конденсатора в диоде 8 и силовом управляемом кличе k во время их проводящего состоян желательно, чтобы ( ) 1, При т ком соотношении между числами витков магнитная связь между первичной и вторичной обмотками магнитного реактора 5 ухудшается, что может стать причиной появления коротких всплесков .напряжения при переключении тока из первичной обмотки во вторичную при запирании силового управляемого ключа k. Чтобы избежать зтого целесообразно выполнить вторичную обмотку 7 в виде двух секций, соединенных последовательно- согласно, причем число витков первой секции выбрать равным числу витков первичной обмотки 6, а цепь из соединенных последовательно второй секции вторичной обмотки 7 и диода 8 шунтировать дополнительным диодом 18. Через него и первую секцию вторичной обмотки 7 замыкается ток заряда конденсатора 9, трансформируемый (переключаемый) из первичной обмотки 6 во вторичную 7 в начале процесса заряда конденсатора 9, пока не нарастает ток во вторичной секции вторичной обмотки, имеющей большее число витков и обладающей поэтому индуктивностью рассеяния. После нарастания этого тока дополнительный диод 18 запирается, а ток, трансформируемый в обмотку 7, протекает через обе ее секции и диод 8. Уменьшение потерь энергии в сравнении с известным преобразователем, обусловлено тем, что в предложенном устройстве сочетается ограниченность тока силового ключа при его отпирании с ограниченностью скорости нарастания напряжения на силовом управляемом ключе при его запирании. Кроме того, повышается надежность за счет уменьшения вероятности вторичного пробоя в силовом управляемом ключе. Формула изобретения 1. Преобразователь напряжения, содержащий силовой управляемый ключ, нагрузку, магнитный реактор и диод, в котором нагрузка, соединенная первым выводом с первым зажимом источника питания, вторым выводом подключена к первому электроду выходной цепи силового управляемого ключа через первичную обмотку магнитного реактора, второй электрод выходной цепи силового управляемого .ключа соединен с вторым зажимом источника питания, а вторичная обмотка магнитного реактора и диод соединены последовательно, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД v надежности путем улучшения траектории переключения силового управляемого ключа в преобразователь дополнительно введен конденсатор, указанный конденсатор через первичную обмотку магнитного реактора подключен параллельно выходной цепи силового управляемого ключа, а цепь из соединенных последовательно вторичной обмотки магнитного реактора и диода включена параллельно конденсатору, 2. Устройство по п. I, отличающееся тем, что вторичная обмотка магнитного реактора выполнена в виде двух секций, причем число витков первой секции выбрано равным 9 6 числу витков первичной обмотки магнитного реактора, а вторая секция вторичной обмотки и соединенный с ней последовательно диод шунтированы дополнительным диодом. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе Ь.. С. и Лаптев Н, Н. Стабилизированныетранзисторные преобразователи. М., Энергия, 1972, с. 161, рис. 6-1. 2. Авторск9е свидетельство СССР № 39582i, кл.С 05 F 3/00, 1973.

Фиг.1