Однотактный преобразователь напряжения с обратным включением диодов

 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при конструировании однотактных преобразователей с повышенным КПД при выходных напряжениях от единиц вольт до десятков киловольт. Целью изобретения является повышение КПД путем снижения динамических межобмоточных емкостей. Однотактный преобразователь напряжения состоит из ключевого элемента, многообмоточного дросселя, содержащего сердечник, первичную обмотку, подключенную к ключевому элементу, N последовательно соединенных секций, каждая из которых содержит одну вторичную обмотку, соединенную одним выводом с конденсатором через диод в обратном включении. При этом вторичные обмотки дросселя выполнены в виде N /2 концентрических пар, расположенных вдоль стержней сердечника

число секци N выбрано четным

наружный вывод внутренней обмотки каждой пары концентрических обмоток соединен с внутренним выводом наружной обмотки этой же пары. Все это обеспечивает значительное повышение КПД за счет уменьшения междуобмоточной динамической емкости вторичных обмоток дросселя, благодаря чему снижается ток заряда этих емкостей и ток, потребляемый от источника питания. 6 ил.

СОЮЗ COBETCHHX

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

151) 4 Н 02 М 3/335

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

Н ABTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4400245/24-07 (22) 29.03.88 (46) 07.12.89. оп. N 45 (71) Институт электродинамики АН

УССР и Специальное конструкторскотехнологическое бюро Института электродинамики АН УССР (72) И.А. Криштафович, Б.Б.Лебедев и А.Я. Кузьменко (53) 621.314.57(088.8) (56) Захаров Ю.К. Однотактные преобразователи постоянного напряжения на полупроводниковых триодах. В сб.:

Полупроводниковые приборы и их применение.-N. Советское радио, 1960, вып. 5, с.206-232.

Ицхоки Я.С. Импульсные трансформаторы. — 1И. 1950, с. 471-516.

Криштафович И.А., Кузьменко А.Я.

Накопление, обмен и потери энергии в многообмоточном дросселе однотактного преобразователя.-техническая электродинамика. Киев: Наукова думка, 1987, Ф 5, с.61-69. (54) ОДНОТАКТНЬФ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ С OFPATHblY ККЛЮЧЕНИЕ1и РНО ДОВ (57) Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при конструировании

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть применено при конструировании однотактных преобразователей направления с повыше ниым КПД.

„„SU„„1527691 д1 однотактных преобразователей с повышенным КПД, при выходных напряжениях от единиц вольт до десятков киловольт. Целью изобретения является повышение КПД путем снижения динамических межобмоточных емкостей.

Однотактный преобразователь напряжения состоит из ключевого элемента, многообмоточного дросселя, содержащего сердечник, первичную обмотку, подключенную к ключевому элементу, N последовательно соединенных секций, каждая из которых содержит одну вторичную обмотку, соединенную одним выводом с конденсатором через диод в обратном включении.При этом вторичные обмотки дросселя выполнены в виде N/2 концентрических пар, расположенных вдоль стержней сердечника, число секций N выбрано четным, наружный вывод внутренней обмотки каждой пары концентрических обмоток соединен с внутренним выводом наружной обмотки этой же пары. Все это обеспечивает значительное повышение КПД за счет уменьшения междуобмоточной динамической емкости вторичных обмоток дросселя, благодаря чему снижается ток заряда этих емкостей и ток, потребляемый от источника питания. 6 ил .

Цель изобретения — повышение КПД однотактного преобразователя путем снижения динамических межобмоточных емкостей.

1527691

Йа фиг. 1 показана схема электрическая однотактного преобразователя напряжения с обратным включением диодов; на фиг. 2 — многообмоточный дроссель однотактного преобразователя

5 напряжения с обратным включением диодов, разрез на фиг, 3 и 4 — схемы эле ктриче ские концентрических пар секций вторичных обмоток с различным включением диодов; на фиг. 5 и 6 схемы электрические секций вторичных обмоток с различным включением диодов.

Однотактный преобразователь напряжения с обратным включением диодов (фиг,l и 2) содержит ключевой элемент 1, многообмоточный дроссель, содержащий сердечник 2, первичную омботку 3, диоды 4, конденсаторы 5 и расположенные вдоль стержней 6 сер- 20 дечника 2 внутренние 7 и наружные

8 вторичные обмотки.

На схемах (фиг.3 и 4) ведены следующие обозначения, 9 — наружный слой внутренней обмотки 7 концентрической пары вторичных обмоток дросселя, 10 внутренний слой наружной обмотки концентрической пары вторичных обмоток многообмоточного дросселя, 11 высота одной вторичной обмотки (размер вдоль стержня сердечника), в дальнешем 11; 12 — направление интегрирования (параллельно оси стержня сердечника), в дальнейшем у.

На схемах (фиг,5 и 6) введены сле35 ду(ощие обозначения. 13 — ближайшие слои рядом расположенных обмоток (перпендикулярно направлению 12 оси стержня сердечника), Преобразователь (фиг.l) работает 4О следующим образом.

В исходном состоянии ключевой элемент 1, выполненный на транзисторе, например, п - р- и типа, заперт. Поэтому через первичную обмотку 3 ток 45 не протекает. При этом полагаем энергию, накопленную в дросселе, и напряжения на конденсаторах 5 равными нулю. При подаче отпирающего импульса на базу транзистора в его коллектор.—

50 ной цепи протекает ток. В течение времени нарастания тока коллектора токи через диоды 4 не протекают, потому что к этим диодам приложено запирающее напряжение, в результате чего накапливается энергия в дроссе55 ле. При запирании транзистора полярность напряжений обмоток 3, 7 и 8 изменяется на противоположную и накопленная в дросселе энергия приводит к протеканию токов заряда конденсаторов 5 и повьппению выходного напряжения устройства. В дальнейшем процессы в схеме повторяются.

В рассматриваемом однотактном преобразователе напряжения с обратным включением диодов электрическая энергия запасается собственными динамическими емкостями обмоток и междуобмоточными паразитными емкостями многообмоточного дросселя. Собственные емкости обмоток перезаряжаются при смене полярности входного напряжения, поэтому для определения их динамической емкости может быть применен подход (+1 () ц2

2 с где С вЂ” собственная динамическая емкость одной вторичной об" мотки дросселя, Г2 — напряжение на зажимах одной вторичной обмотки дросселя, (! (}

W W — количество энергии, запасаемой собственной емкостью вторичной обмотки на соседних полупериодах переменного напряжения, учитывая, что разность потенциалов любых частей соседних вторичных обмоток дросселя на всех этапах имеет одинаковый знак, запишем для динамической межобмоточной емкости:

ы" и( э, (l )

2

Рассмотрим составляющие динамической емкости обмоток дросселя при следующих допущениях: значения всех междуобмоточных динамических емкостей могут быть приведены к напряжению одной секции вторичной обмотки дросселя собственной емкостью первичной обмотки 3, межвитковыми емкостями и емкостями между несмежными слоями одной вторичной обмотки можно пренебречь; все вторичные обмотки дросселя идентичны, намотка рядовая, равномерная, геометрические размеры обмоток намного больше расстояния между ними.

При этих допущениях динамическая емкость Сз между концентрически расположенными вторичными обмотками

)527691

5 высотой h определяется разностью энергий запасаемых на соседних полупериодах переменного напряжения в пространстве между наружным слоем 9 витков внутренней обмотки 7 и внутренним слоем 10 наружной обмотки 8 дросселя.

Для оценки динамической междуобмоточной емкости концентрических пар вторичных обмоток дросселя рассмотрим работу схем, изображенных на фиг. 3-6, в двух одинаковых по длительности полупериодах: t, — ключ 1 открыт; t 2 — клн ч 1 закрыт. 15

Обозначим: U — напряжение внутреннего слоя 10 наружной обмотки 8;

U — напряжение наружного слоя 9 внутренней обмотки 7; k — число слоев во вторичной обмотке дросселя, тогда напряжения на слоях этих обмоток на интервале t для фиг.3:

Таким образом, схема,показанная на фиг. 3, обладает максимальной динамической емкостью.

Рассмотрим те же этапы для схемы, 5 изображенной на фиг ° 4.

Для этапа

U «U +ит (— > °

I kh+ гkh kh 1

Для этапа ю 2 С т Ut

3 k2 у

25 у kh-v

Ug

kh 2 kh

11 б ) 2 — — С

2 U2

3 сТ 1с2

)/U О.

35 где С вЂ” статическая емкость одной пары вторичных обмоток дросселя .

На этапе t г транзистор закрыт и в 4О процессе передачи энергии вторичных обмоток дросселя в нагрузку

U У(1+ — )

h 1 г. 2 г

Сст U2 (+ ) 2 k

y, kh+y

k.h г kh где U и

Откуда, согласно (1) определяем динамическую емкость концентрических 55 пар вторичных обмоток дросселя: (II

С - — — т — = 2С (). (и — w3)

С, . Б k-1 г

Оценивая количество энергии М запасаемой в междуобмоточной динамической емкости в период t получим:

W, — f (-kh+y-kh+y) dy о

1 1

-2С„- 11,(31,, 1, + ) ц „„, т ц ц.

2 2 1 Н 2

Количество энергии, запасаемой в междуобмоточной емкости в период t2: ..2"

Сст U2 г 2Сст U2

2k2h3 J 31с 1г о г 1,1, 11г(1,1, 2 2

2C„U. 2 Сст U„

"э Зiт 3 kh

Согласно (1) определяем динамиче скую емкость концентрической пары вторичных обмоток дросселя для схемы на фиг.4:

I 1 г (ИР - W ) 2 U2

11 2 3 "k

Таким образом, динамическая емкость концентрических пар вторичных обмоток 7 и 8, последовательно соединенных через обратные диоды 4, согласно схеме, показанной на фиг. 4, равна нулю.

Работа схемы (фиг. 5) описывается следующим образом.

На этапе напряжения ближайших слоев 13, расположенных перпендикулярно оси сердечника вторичных обмоток дросселя.

На этапе

) э

I 527691

На этапе

U -U -U(1- — )

Ф f

20 и Сст.Ь 1 к-1 2 э 2

25 откуда

Динамическая междуобмоточная емкость для схемы на фиг.5:

Ccr t(k+1)Z (k 1)+ t 2Сот откуда следует: динамическая междуобмоточная емкость схемы (фиг.5) максимальна.

Работу схемы (фиг.6) можно представить следующим образом.

На этапе

U — Ъ Uz(1 — k и . — ) и Сст Uq(k 1)z э 2 k

wý,)

О.

Таким образом, динамическая междуобмоточная емкость вторичных обмоток дросселя для схемы на фиг. 4 и

6 равна нулю, что обеспечивает ее преимущества по сравнению со схемами на фиг. Э и 5.

Таким образом, расположение вторичных обмоток дросселя в виде концентрических пар, изображснное на фиг. 4 и 6, и схема включения диодов

4 обеспечивают значительное повьппение КПД однотактного преобразователя напряжения за счет уменьшения междуобмоточной динамической емкости вторичных обмоток дросселя, благодаря чему снижается ток заряда этих емкостей и, следовательно, ток, потребляемый от источника питания.

Формула изобретения

Однотактный преобразователь напряжения с обратным включением диодов, содержащий ключевой элемент, многообмоточный дроссель, первичная обмотка которого через ключевой элемент подключена к входным выводам, а также

N последовательно соединенных секций, каждая из которых содержит одну вторичную обмотку, подключенную к конденсатору через диод в обратном включении, отличающийся тем, что, с целью повьппения КПД путем снижения динамических межобмоточных емкостей, вторичные обмотки дросселя выполнены в виде N/2 концентрических пар, расположенных вдоль стержней сердечника, причем наружный вывод внутренней обмотки каждой пары соединен с внутренним выводом наружной обмотки той же пары, а число секций N выполнено четным.

2 3 1 1

1111

Фиг. 2

Ptl2. Ф

)52769) Составитель Ю. Верховодов

Техред М. Дндык Корректор И.Шароши

Редактор Н. Тупица

Заказ 7517/56 Тираж 648 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открьггиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101