Преобразователь напряжения

 

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ , содержащий силовой ключ, нагрузку индуктивного характера, магнитный реактор, конденсатор, коммутирующий и рекуперационный диоды, в котором первый вывод нагрузки соединен с первым зажимом источника питания, второй зажим которого через силовой управляемый ключ подключен к первой обмотке магнитно1х реактора, -а через рекуперационный диод - к второй его обмотке, причем указанные обмотки включены последовательно-согласно , а их обшая точка соединения через конденсатор подключена к второму зажиму источника питания, а через коммутирующий диод - к его первому зажиму, отпи 1ающийся тем, что, с цепью повышения быстродей-. i ствкя и уменьшения потерь энергии, второй вывод нагрузки подкя1дчен к комк гтиW рующему дноду через магнитного реактора. У

СОЮЗ СОВЕТСКИХ . СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ.

РЕСПУБЛИК

„„SU„„1014 È4.3(д) Н 02 M 7/537

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ "..,.",, ",, К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ 4 (21) 3354326/24-07 (22) 13.11.81 (46) 23.04,83. Бкд. N 15 . (72) Б. А. Глебов (71) Московский ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетический институт (53) 621.314. 57 (088.8) (56) 1. Моин В; С., Лаптев Н. Н. Стабилизированные транзисторные преобразователи, М., Энергия", 1972, с. 161, рис. 6-1.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке N. 3003338, кл. Н 02 М 7/537, 1 980., (54)(57) 1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий силовой ключ, нагрузку индуктивного характера, магнит

J ный реактор, конденсатор, коммутирующий и рекуперационный диоды, в котором первый вывод нагрузки соединен с первым зажимом источника питания, второй зажим которого через силовой управляемый ключ подключен к первой обмотке магнитного реактора, -а через рекупераци- онный диод - к второй его обмотке, причем указанные обмотки включены последовательно-cîãëàñíî, а их общая точка соединения через конденсатор подключена к второму зажиму источника питания, а через коммутирукщий диод - к его первому зажиму, о т л и -ч а ю шийся тем, что, с целью повышения быстродей-. ствия и уменьшения потерь энергии, вто- cg

Я рой вывод нагрузки подипдчен к ковлмутируюшему диоду через первую обмотку маг нитного реактора. С". с, 1014114

2. Преобразователь по и. 1, о т л и— ч а ю шийся тем, что второй вывод нагрузки соединен с силовым управпя4мым ключом непосредственно.

3. Преобразователь по п. 1, о т л ич .а ю шийся тем, что второй вывод нагрузки соединен с силовым управпяемым ключом через часть витков первой обмои ки магнитного реактора.

Изобретение относится к электротех нике и наибольшее применение может найти в транзисторных преобразователях.

Известен .преобразова тель напряжения; содержащий силовой управляемый ключ, 5 нагрузку индуктивного характера, шунтированную коммутирующим. диодом (1 ).

Наиболее близким по технической сущ ности к изобретению является преобраэоватепь напряжения, содержащий силовой управляемый кл зч, нагрузку индуктивного характера, маг штный реактор, конденсатор, коммутирующий и рекуперационный ди оды, в котором первый вывод нагрузки соединен с первым зажимом источника 15 питачия, второй зажим которого через силовой управляемый ключ подкпючен . к первой обмотке магнитного реактора, а через рекуперационный диод - к второй его обк; гке,,причем указанные обмотки 20 вккиочены последовательно-согласно, а их общая точка соединения через конденсатор подключена к второму зажиму источника питания, а через коммутируюший диод - к его первому зажиму f2> 25

Heao:-:òÿ"ком известного устройства является;.ясное быстродействие и повышенные поте ;,н энергии во время открытого состояния ялового управляемого ключа, Низкое быстродействие обусловле- 30 но тем, ч-.о энергия в нагрузку индуктив-: ного характера начинает поступать не сразу по отпирании силового ключа, а спустя время, за которое ток первичной обмотки магнитного реактора дорастет до значения, превышаюшего ток нагрузи;и, замыкаюшийся через коммутирующий диод.

Ровьпценные потери энергии связаны с М;, что пжиедовательно с выходной це,.;:ю силового улравля .=мого кп .ча вклю- 40 чена дополнит6пьная цепь в виде первичной, обмотки магнитного реактора, а энер4, Преобразователь по п. 3, о т л ич а ю m и и с я тем, что, с целью уменьшения потерь, в силовом управляемом ключе в моменты его включения между силовым управляемым ключом и пер вым зажимом источника питания включен вентильный элемент с падением напряжения в прямом направлении, большим, чем у коммутируюшего диода. гия, передаваемая в реактор, рассеивается в вентильных элементах.

Цель изобретения - повышение быстро,действия и уменьшение потерь энергии.

Эта цель достигается тем, что в преобразователе напряжения, содержашем силовой управляемый ключ, нагрузку индук; тивного характера, магнитный реактор, конденсатор, коммутирующий и рекуперационный диоды, в котором первый вывод нагрузки соединен с первым зажимом источника питания, второй зажим которого через силовой управляемый ключ подключен к первой обмотке магнитного реактора, а через рекуперационный диод - к второй его обмотке, причем укаэанные обмотки вкпючены последовательно-согласно, а их обшая точка соединения через. конденсатор подключены к второму зажиму источника питания, а через коммутируюший диод - к его первому зажиму, второй вывод нагрузки подключен к коммутирующему диоду через первую обмотку магнитного реактора,.

При выполнении магнитного реактора на сердечнике с линейной петлей гистере .зиса второй вывод нагрузки соединен с силовым управляемым ключом непосредственно.

При выполнении магнитного реактора на сердечнике с нелинейной петлей гистерезиса второй вывод нщ руэки соединен с силовым управляемым ключом через часть витков первой обмотки магнитного реактора.

Кроме того„ с целью уменьшения поте1ъ, в указанном ключе в моменты его вьпцаочения ме..:ко силовым управляемым щдъчом и первым зажимом источника питания включей вентильный элемент с падением напряжения в прямом направлении, большим, чем. р zo тируюшего диода.

3. 1014

На фиг, 1 и 2 схематически изображены варианты предлагаемого преобразователя напряжения.

Преобразователь включает нагрузку 1 индуктивного характера, первый зажим 2 источника питания, первую 3 и вторую 4 обмотки магнитного реактора 5, рекуперационный диод б, второй зажим 7 источника питания, конденсатор 8, коммутирующий;диод 9, силовой управляемый 1э ключ 10, вентильный элемент 11.

В схеме на фиг. 2 первая-обмотка 3 магнитного реактора 5 выполнена с отводом от части витков.

Нагрузка 1 индуктивного характера и первым вывоцом соединена с пер- . выи зажимом 2 источника питанчя.

Первая и вторая обмотки 3 и 4 магнитного реактора 5 соединены последовательно-согласно. Вывод второй обмотки 4 10 магнитного реактора связан через рекуперапионный диод 6 с вторым зажимом

7 источника питания. Между обшей точкой первой и второй .обмоток 3 и 4 магнитного реактора 5 и вторым зажимом 23

7 источника питания включен конденсатор

8. Второй вывод нагрузки 1 связан. с за4 жимом 2 источника питания через первую обмотку 3 магнитного реактора 5 и коммутирующий диод 9, а также связан с За первым электродом выходной цепи силового управляемого ключа 10, второй электрой которой соединен с вторым зажимом

7. источника питания, . В преобразователе напряжения, пред9 ЗЮ ставленном на фиг. 1, связь второго вывода нагрузки 1 с упомянутым первым электродом выходной цепи силового управляемого ключа 10 непосредственная.

В преобразователе напряжения, схема которого представлена на фиг. 2, связь второго вывода нагрузки 1 с упомянутым первым электродом выходной цепи силоsoro управляемого ключа 10 осуществлена через часть витков первой обмотки.3 магнитного реактора 5, а между силовым

43 ключом 10 и первым зажимом 2 источника питания включен вентильный элемент, 11.

Принцип действия преобразователя напряжения почти одинаков для схем ив фиг. 1 и 2, и поэтому он рассматривается применительно к схеме на фиг 1.

Прн непроводяшем состоянии силового ключа 10 ток нагрузки 1 индуктивного характера эв счет накопленной энергии не прекращается, а протекает через соединенные последоввтеиьно первую обмотку

3 магнитного реактора 5 и хоммутирую114 ший диод 9. Конденсатор 8 заряжен до напряжения питания.

При переходе силового ключа 10 s проводящее состояние нагрузка 1 практически сразу подключается к источнику питания, и в нее иэ источника начинает поступать энергия без какой«либо задержки.

В начальный момент при отпирании ключа 10 его ток равен нулю, так как ток через нагрузку мгновенно измениться не может и его величина равна току; протекающему по обмотке 3 реактора 5.

Через силовой ключ 10 ток в нагрузке 1 начинает увеличиваться эа счет передачи в нее энергии из источника питания, а ток в обмотке 3 - уменьшаться за счет отдачи энергии, накопленной в магнитном реакторе 5, в источник пита- ., ния. Поэтому ток силового ключа 10 нарастает практически линейно..По мере спада тока обмотки 3 уменьшается также прямой ток через коммутирующий диод 9, затем ток через диод 9 изменяет направление и прекращается в момент восстановления его вентнльных свойств, В укаэанный момент ток силового кп очв

10 равен току нагрузки 1, сложенному с амплитудным значением тока через коммутирующий диод 9 в обратном направлении.

После эапнрвния коммутирующего диода 9. начинается разряд конденсатора 8 åðåå первую обмотку 3 магнитного реактора 5 и силовой управляемый ключ

10. Во время всего этого процесса на началах обмоток магнитного реактора 5 (показаны на фиг. 1 точками) положительная пацярность напряжения, и поэтому рекуперацнонный диод 6 заперт. По мере разряда конденсатора 8 возрастает ток обмотки 3 и понижается потенциал на катоде д»ода 6. За.счет запасаемой в реакторе 5 энергии (перекачиваемой из конденсатора 8) в конце процесса разряда конденсатора F возникает ЭЙС электромагнитной индукции на обмотках 3 и 4, и через рекуперационный диод 6, обмотки

4 н 3 и силовой ключ 10 протекает ток, обусловленный накопленной и реакторе 5 энергией.

Накопленная в магнитном реакторе 5 энергия начинает выделяться в диоде 6 и в выходной цепи силового ключа 10.

Однако процесс отдачи энергии происходит намного медленнее, чем процесс ее. накятления в магнитном реакторе 5, твк квк падение напряжения на диоде 6 и в выходной цепи силового ключа 10 намно5 101 -13 го меньше напряжения питания, до которого был заряжен конденсатор 8 перед началом процесса его разряда. Поэтому к моменту перехода силового управляемого ключа 10 из состояния высокой проводимости в состояние низкой энергия в реакторе 5 оказывается практически нерастраченной, При уменьшении тока силового ключа

10 во время его запирания ток нагрузки to

1, который практически не изменяется за короткое время запирания силового ключа 10, ответвляется в обмотку 3 магнит* ного реактора 5 и через указанную об мотку начинает заряжать конденсатор 6, выполняющий роль демпфируюшего элемента, принимакицего ток нагрузки и предотвращающего скачкообразное нарастание напряжения на запирающемся силовом управляемом ключе 10. При переключении тока нагрузки в обмотку 3 и нарастании тока обмотки 3 по мере снижения тока силового ключа 10 возникает и нарастает трансформируемый в обмотку 4 ток, которым также заряжается конденсатор 8.

В процессе заряда конденсатора 8 на-. пряжение на нем, а значит и на обмотке

4 магии ного реактора 5, включенной через . рекуперационный диод 6 параллельно конденсатору 8, плавно нарастает . Соот- з> ветственно плавно нарастает напряжение на силовом управляемом ключе 10, так как Ф ф

= О +, где U< и Π— напряжения на конденсатоК ре 8 и силовом управляемом ключе 10;

Ж. 4/ - числа витков обмоток 3 и 4.

) у 40

По мере увеличения напряжения на обмотке 4 ускоряется вывод из магнитного реактора 5 энергии, переданной в него из конденсатора 8 и сохраненной к.моменту задирания, что выражается в уменьшении

45 положительной ичдукции магнитного поля, Рсст напряжения на конденсаторе 8 происходиь до тех пор, пока не отпирается коммутирующий диод 9, и остаток накопленной е реакторе 5 энергии возвращается в источник питания, После отдачи энер5Î гии и снижения положительной индукции магнитного поля в сердечнике магнитного реактора до нуля начинается новый процесс накопления энергии в сердечнике, S.г но, индукция теперь нарастает в отрицательном направлении (полярность на обмотках такова, что "плюс на концах обмоток). При этом накопленная в нагруэ1. 4 6 ке энергия частично "пере ;ачивается" в реактор. 5 и запасается в нем, а частично возвращается в источник питания, что обусловлено протеканием тока по цепи рекуперационный диод 6 — обмотка 4коммутирующий диод 9 — источник питания, По мере накопления энергии в сердечнике магнитного реактора 5 и роста отрицательной МДС уменьшается ток обмотки 4. Когда ток спадает до нуля,. запирается рекуперационный диод 6 и огдача энергии в источник питания прекращается.

Усложненный вариант преобразователя напряжения, представленный на схеме на фиг. 2, позволяет применять для магнитного реактора 5 сердечники с нелинейной петлей гистерезиса, выполненные из дешевых марок феррита, например. 2000HN1.

Установленный оком нагрузки 1, лротекающим по части 3-1 витков обмотки

3, в состояние отрицательной намагниченности сердечник магнитного реактора

5 при отпирании силового управляемого ключа 10 начинает перемагничиваться в положительном направлении. Это обусловлено тем, что к части 3-3 витков обмо»ки 3 магнитного реактора 5 через диод

9, остающийся в состоянии высокой проводимости в течение некоторого времени, прикладывается напряжение питания, причем полярность этого напряжения такова, что плюс" на начале обмотки 3, Если магнитный реактор 5 выполнен на сердечнике с существенно нелинейнoÀ петлей гистерезиса, то за короткое время он переходит из состояния отрицательного насыщения в ненасыщенный режим работы„для которого характерна близкая к нулю. напряженность магнитного поля в сердечнике, а значит и близкое к нулю значение MllC в сердечнике. Тогда точки З и З,протекающие по частям

3-1 и ЗЗ первой обмотки 3 магнитного реактора 5, оказываются связанными соотношением O =3 Ф/ е .Поскольку ток

3-1 31 3-2 3 2 протекает через коммутирующий ди— од 9 в обратном направлении, последний через время, за которое в его базе рассасывается накопленный заряд, переходит в состояние низкой проводимости (запи= рается). После этого начинается разряд и нденсатора 8 током3, B процессе ко=

3-Я торого напряжение на этом конденсат.:pe снижается по закону, близкому к линей."

HoMJ, Сразу при Отпирании ключа 1 0 потея циал второго вывода нагрузки 1 становито. оицатедьным эа счет трансформации

7 1014 напряжения из части 3-2 первой обмотки 3 магнитного реактора 5 в части...

3-1 этой обмотки. Этот потенциал.во время проводящего состояния коммутирующего дИода 9 Остается неизменным, а затем во время разряда конденсатора 8 током « » повышается, оставаясь отрицательным все время разряда. Это означает, что мгновенно по отпирании силового . ключа 10 в нагрузку 1 начинает посту с 16 пать энергия, аричем энергия, запасенная в конденсаторе 8, также передается в . нагрузку во время разряда конденсатора.

По мере разряда.конденсатора 8 умень

:Шается. напряжение на обмотках магнитно-33 го реактора 5 и соответственно замедляется процесс перемагничивания его сердечника в положительном направлении, а .. затем отпирается рекуперационный диод 6, и через него начинает замыкаться ток 3 20

Этот ток связан с током нагрузки 3 =3 и э= соотношением 36(ЧМ +%4 J=Эдчц,т.е. сушественно меньше тока нагрузки при выполнении неравенства (%3 +@ ) p) W ог3-1 да потери в диоде 6 -и силовом ключе 2$

lO от протекания тока Т оказываются незйачительными, и энергия, переданная в нагрузку 1 из конденсатора 8, не успевает рассеяться эа время работы ключа 10 в сОстоянии высОкой opoBOARMocTH 3й

Протекание тока через диод 6 означает, что на обмотках 4 и 3-2 действует напряжение, равное сумме падения напряжения на рекуперационном диоде 6 и силовом ключе 10, причем полярность на33 пряжения такова, что на началах обмоток

; "минус т.е. сердечник магнитного реактора 5 начинает перемагничиваться в отрицательном направлении, однако с невысокой скоростью (значительно медленнее, чем перемагничивался в положительном направлении), так как перемагничивание обеспечивается действием небольшого напряжения иа значительном числе витков обмотки 4 и части 3-2 обмотки 3

При эапирании силового ключа 10 на-, . чинает снижаться его ток, и ток нагрузки -1 переключается из выходной цепи си-. лового ключа 10 в часть 3-1 обмотки 3 магнитного реактора 5. При этом возрастает ток .через рекуперационный диод 6, и этот ток теперь определяется равенст еомЗ %„=3„ Й +P„-T<) o мере сеежения тока 3, силового управляемого клто ча 10 возрастают токи Э иЗ fg «» 1

6 3- 2 н к суммой укаэанных токов заряжается конденсатор -8. На нем плавйо от нуля на- чинает расти напряжение и соответствен114 8 но плавно от нуля начинает расти напряжение на.запирающемся .силовом ключе 10.

При использовании нелинейного сердечника в магнитном реакторе 5 появляеэ ся доцолнтрельная воэможность уменьшен ния потерь энергии в силовом ключе 10 во время его эапирания эа счет уменьшения напряжения на -этом ключе до значе.ния, не превосходящего напряжение пиФтания без существенного снижения бысч родействия схемы. С этой целью между первым электродом силового кцюча 10 и первым зажимом 2 источника питания включается вентильный элемент 11 с напряжением в проводящем состоянии большим, чем на коммутирующем диоде 9 во время его работы в проводящем состоянии.

В качестве вентильного элемента 11 могут быть использованы два соединенных последовательно диода, показанных на фиг, 2 пунктиром. В этом случае напряжение на силовом ключе 10 во время его запирания растет до .тех пор, пока не отпираются укаэанные соединенные последовательно диоды ll, и тогда потенциал на первом электроде выходной цепи силового управляемого клыча 10 незначительно превышает напряжение питания. На сумме витков обмотки 4 н части 3-2 обмотки

3 при этом возникает напряжение, почти равное напряжению питания, и поэтому сердечник магнитного „реактора 5 продолжает, перемагничиваться в отрицательном направлении, а ток нагрузки 1 замыкается через вентильный элемент. Когда сердечник попадает в режим насыщения, при котором его магнитное . сопротивление (индуктивность обмоток) становится близ, ким к нулю, исчезают напряжения на обмотках магнитного реактора 5, и ток иэ вентильного элемента ll переходит в коммутирующий диод 9, обладающий меньшим падением напряжения, чем вентильный элемент 11. Существенно, что укаэанный переход тока происходит эа малое время благодаря малой индуктивности обмоток магнитного реактора 5 при насыщении его сердечника.

При использовании подобного технического решения в схеме на фиг. 1 первход тока из вентильного элемента 11 в коммутирующий диод 9 происходил бы значительно доаьше, так как магнитный реактор 5 в схеме на фиг. 1 должен быть линейным и обцадать конечной .индуктив-: ностью (ее величина ограничивает ток разряда конденсатора 8 при Отпирании си» лового ключа), что существенно увеличивает время укаэанного перехода тока. а

9 10 значит снижает быстродействие. Включать силовой управляемый ключ 10 до завершения перехода тока нельзя, так как в этом случае при отпирании ключа 10 его ток будет нарастать при полном напряжении питания на ключе, пока не восстановится высокое "обратное сопротивление вентильного элемента 11, что означает существенные перегрузки силового ключа 10 по току и соответствуюпще потери энергии.

14114 10

Таким обрюом, исключение из контура тока нагрузки при включенном состоянии силового управляемого ключа попностью (в первом варианте) или частичs но (во втором варианте) первой обмотки магнитного реактора уМеньшает потери энергии, а также повышает быстродействие преобразователя напряжения, а подключение вентильного элемента (во втором варианте) уменьшает потери при выключении силового управляемого ключа..

Составитель А. Селезнев

Редактор Н. Лазаренко Техред С.Мигунова Корректор А.йзятко

Заказ 3036/66 Тираж 685 Прдписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва,.Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патейт", г. Ужгород,.ул. Проектная, 4