Преобразователь постоянного напряжения в постоянное

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в бестрансформаторных импульсных источниках питания различного назначения. Цель изобретения - повышение КПД и снижение массогабаритных показателей. Устройство содержит четырехполюсник 5, включенный между входными выводами 1,2 и через цепочку из тиристора 14-N и дросселя 16 с выходными выводами 3,4. Между последними включен диод 15. Четырехполюсник 5 состоит из двух продольных и N поперечных ветвей. Первая продольная ветвь состоит из тиристора 6-1, соединенного анодом с входным выводом 1, и неуправляемых ключей, соединенных анодами, подключенными к выходному выводу 3. Вторая продольная ветвь включает неуправляемые ключи, катоды которых объединены и подключены к входному выводу 2. Каждая из поперечных ветвей состоит из включенных между анодом ключа второй продольной ветви и катодом ключа первой продольной ветви конденсатора 9, цепи из диода 12 и дросселя 13, и цепи из диода 10 и конденсатора 11, причем первая поперечная ветвь подключена к катоду тиристора 6-1 через дроссель 7. Между поперечными ветвями соответствующим образом включены разрядные управляемые ключи 14. Использование в продольных ветвях только одного управляемого ключа позволило сократить число схем управления ключами, а предложенное построение схемы позволяет при меньшем числе каскадов умножения обеспечить передачу в нагрузку большой по величине энергии. 8 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (19) (11) (5! ) 5 Н 02 . 3/18

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГННТ СССР

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21 ) 4432285/24- 07 (22) 30,05.88 (46) 07.02.90. Бюл. Р 5 (71) Истринский филиал Всесоюзного электротехнического института им. В.И.Ленина (72) С.В.Липатов и В.F..Çåëåíîâ (53) 621.314.1 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N - 955428, кл. Н 02 1! 3/18, 1 980.

Авторское свидетельство СССР

11 1171923, кл, Н 02 Г . 3/18. 198?. (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНРЯ В ПОСТОЯННОЕ (57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в бестрансформаторных импульсных источниках питания различного назначения.

Цель изобретения — повышение КПД и снижение массогабаритных показателей, Устройство содержит четырехполюсник

5, включенный между входными выводами

1, 2 и через цепочку из тиристора

14.N и дросселя 16 выходными выводами 3, 4. Между последними включен диод 15. Четырехполюсник 5 состоит из двух продольных и N поперечных вет/

2 вей. Первая продольная ветвь состоит о из тиристора 6.1, соединенного анодом с входным выводом 1, и неуправляемых ключей, соединенных анодами, подключенными к выходному выводу 3. Вторая продольная ветвь включает неуправляемые ключи, катоды которых объединены и подключены к входному выводу 2, Каждая из поперечных ветвей состоит нз включенных между анодом ключа второй продольной ветви и катодом ключа первой продольной ветви конденсатора

9, цепи из диода 12 и дросселя 13, и цепи из диода 10 и конденсатора 11, причем первая поперечная ветвь подключена к катоду тиристора 6.1 через дроссель 7. 1 .ежду поперечными ветвями соответствующим образом включены разрядные управляемые ключи 14 . Использование в продольных ветвях только одного управляемого ключа позволило сократить число схем управления ключами, а предложенное построение схемы позволяет при меньшем числе каскадов умножения обеспечить передачу в нагрузку большой по величине энергии. 4 ил.

154) 725

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в бестрансформаторных импульсных источниках электропитания различного иаз5 начения, в частности в качестве промежуточного повышающего звена при разряде накопительного конденсатора от низковольтного источника.

Цель изобретения — повышение КПД и снижение массогабаритных показате- . лей, На фиг.l и 2 изображены силовые схемы преобразователей постоянного .напряжения в постоянное, на фиг.3 — f5

1 временные диаграммы потребляемого тока i„, суммарного тока i дросселей цепи перезаряда и суммарного тока

iз конденсаторов на интервале потребления энергии, тока 1 одного иэ 20 дросселей цепи перезаряда, тока

:нагрузки, напряжения U „, и U o„íà основном и дополнительном конденсато,ре соответственно на некотором интер вале переходного процесса; на ° 25 фиг,4 а-д — эквивалентные схемы замещения преобразователя на интервале заряда, перезаряда и разряда конден саторов .

Преобразователь постоянного напря- 30 жения в постоянное, Например, для заряда наконителъного конденсатора ,(фиг.1) содержит два входных вывода

I и 2 для подключения соответственно положительной и отрицательной клемм источника постоянного напряжения, два

1 выходных вывода 3 и 4, образующих соответственно отрицательный и положительный выход преобразователя. четы/ рехполюсник 5, состоящий иэ двух про" 40 дольных и N поперечных ветвеи, первая продольная ветвь содержит ключи 6 ° 16Л, первый из которых управляемый (тиристор), а другие — неуправляемые (диоды), и линейный дроссель /, вторая продольная ветвь содержит неуправляемые ключи 8.1 — 8.(N-1) (диоды),поперечные ветви содержат конденсаторы 9.1-9.N, параллельно обкладкам котор подк""чены соответственно че 50 рез разделительные диоды 10.!-!О:N дополнительные конденсаторы )!.111,N, цепи перезаряда конденсаторов

9.1-9.N состоят соответственно из последовательно соединенных диода 12.1— (55

1 2. N и линейного дросселя 13. 1-13 .Ы, разрядная цепь включает тиристоры

14.1 -14 Л, а также выходной диод 15 и выходной линейный дроссель 16, Преобразователь работает следующим образом.

Со схемы управления (не показана) на управляющий электрод тиристора 6.1 поступает запускающий импульс, Тиристор 6.1 и диоды 6.2"6,N, 8,!.-8.(N1), 12.1-12.N открываются и на инI тервале 0-t (фиг.3) происходит колебательный процесс заряда конденсаторов 9.)-9.N )!.1-1).N от источника постоянного напряжения (выводы 1 и 2) через линейный дроссель 7 при некотором нарастании тока в дросселях 13.))3.N цепей перезаряда, Эквивалентная схема замещения преобразователя при

I этом имеет вид, представленный на фиг.4а, где ), — индуктивность линейного дросселя 7; L < — индуктивность параллельно включенных идентичных линейных дросселей 13,)-)3.N цепей перезаряда; С „, С вЂ” суммарная емкость идентичных конденсаторов. 9,1-9,N и

1),.1-11 N соответственно, U „- напряжение источника питания.

Нарастание суммарного тока дросселей цепи перезаряда будет происходить тем медленнее (быстрее),чем больше (меньше) отношение К = L /Е,.

Б момент t равенства нулю суммарного тока i всех конденсаторов разделительные диоды 0. -10. N фиксируют на дополнительных конденсаторах 11.111.N напряжение, которое при высоких добротностях зарядного контура (1020) практически равно удвоенному напряжению источника питания.

В момент t, равенства нулю потребляемого тока i " i + i суммарный ток i> конденсаторов 9,1-9.N компенсирует суммарный ток а. дросселей

13,1 -!З.Б (фиг.4б), в этот момент тиристор 6.! и диоды 6,2-6.N, 8.1-8.(N-.

-1) естественным образом отключаются, а напряжение на конденсаторах 9.1-9.N несколько меньше, чем напряжение на конденсаторах 11.1 -)1.N. Причем чем больше К, тем к моменту t напряжение на конденсаторах 9.1 -9.N будет близко к напряжению на конденсаторах 11.11) .N.

На интервале t — t< (фиг.3) происходит колебательный процесс перезаряда конденсаторов 9.)-9.N через соответствующие им цепочки, :состоящие иэ последовательно включенных диода

12.1-12.N и линейного дросселя 13.113.N, до противоположного по знаку и равного по номиналу напряжения. При

1О

25

45

55 этом эквивалентная схема замешения преобразователя имеет вид, представленный на фиг.4в. Длительность процесса перезаряда конденсаторов 9, 19.N по отношению к времени их заряда может быть различной, все зависит от значений К и отношения емкостей

С /С,.

В момент t z равенства нулю тока

L дросселя пепи перезаряда диод цепи перезаряда .фиксирует напряжение на конденсаторе, полярность которого указана на фиг.l в скобках, Далее на управляющий электрод тиристоров 14,114,N разрядной цепи поступает запускающий импульс. Тиристоры 14.1-14,N открываются, и на интервале (фиг.3) последовательно соединенные конденсаторы 9.1 -9.N и 11.1 -I I.М через линейный дроссель 16 полностью разряжаются на нагрузку, подключенную к выводам 3 и 4 четырехполюсни1ка 5. Эквивалентная схема замещения преобразователя представлена на фиг,4г, При этом колебательный про цесс разряда конденсаторов 9.1 -9.N u

t ° — .

11.1-1l .N сопровождается возрастанием тока нагрузки

С момента t полного разряда по3 следовательно включенных конденсаторов 9.1-9.Н и 11.1-1!.N тиристоры

14.1-14.N естественным образом отключаются, так как ток нагрузки i < те— перь будет замыкаться через открытый шунтирующий диод 15, а к силовым выводам тиристоров будет приложено нулевое напряжение. На интервале (фиг.3) ток нагрузки i „ будет поддерживаться за счет энергии, накопленной в линейном дросселе 16, и будет во времени носить монотонно убывающий характер. Эквивалентная схема замещения преобразователя на интервале имеет вид, представленный на фиг.4д, Момент очередного включения тиристора 6, 1 осуществляется в промежутке времени между t з и t< с учетом времени восстановления t ц проводящих свойств полупроводниковых приборов разрядной цепи, а также с учетом времени t „полноro разряда конденсаторов

9. 1 -9. N u 11 . 1 -! 1 . N и ри максимально возможном напряжении на нагрузке. При этом процессы, происходящие в цепях заряда и перезаряда конденсаторов схемы умножения, не оказывают влияние на ток нагрузки 1„, так как тиристоры

14 . 1-14 . N выключе ны.

Далее процессы в схеме преобразователя будут аналогичным образом повторяться до тех пор, пока напряжение на накопительном конденсаторе не будет практически равно напряжению на последовательно соединенных конденсаторах 9.1-9.N и 11.1-11.N к моменту их очередного разряда. Таким образом, напряжение на накопительном конденсаторе к концу зарядного цикла будет практически находиться в пределах от

3%1„до 4%1п, где U — напряжение источника питания, N — число каскадов умножен ия .

Схема управления тиристорами первой и третьей группы может быть выполнена, например, по типу ждущего блокинг-генератора, причем период следования запускающих импульсов тиристоров разрядной цепи сдвинут относительно периода следования запускающих импульсов тиристора зарядной цепи на фиксированное время t . Данный временной сдвиг обеспечивается путем

Соответствующего формирования входных запускающих импульсов блокинг-генераторов. Входные импульсы блокинггенераторов могут быть получены, например, путем сдвига частоты задающего генератора, выполненного, например, по интегральным схемам с помощьк распределителей импульсов или сдвигающих устройств выполненных, например, на тиристорах, транзисторах или тригreрах.

Одним из путей повышения выходной среднезарядной мощности преобразователя является снижение времени эаряда, перезаряда и разряда конденсаторов. При больших суммарных емкостях конденсаторов всех каскадов максимальная собственная частота колебательного зарядного контура ограничена минимально достижимой индуктивностью этого контура. Таким образом, с целью повышения уровня выходной среднезарядной мощности преобразователя эа счет повышения собственной частоты колебательного зарядного контура, в зарядный контур, каждой пары конденсаторов введен идентичньп линейный дроссель 7. (N-1) — 7.N. (Лиг.2) соответственно. При этом максимальная частота каждого колебательного зарядного контура будет ограничена минимально достижимой индуктивностью это1541725 го контура и емкостью только двух параллельно включенных конденсаторов каскада. Собственная частота колебательного контура перезаряда и колеба5 тельного разрядного контура при этом также зависят от параметров элементов соответствующих цепей. 13 этом случае схема преобразователя (Аиг.2) работает аналогичным образом. 10

В предлагаемом преобразователе колебательный процесс заряда N пар параллельно включенных друг относительно друга конденсаторов осуществляется от источника питания через общий для всех или каждая через свой линейный +дроссель, Это позволяет в первой . группе силовых ключей испольэовать только один управляемый ключ (тиристор), который осуществляет отсечку N 2п пар конденсаторов от положительного вывода источника питания. Зсе осталь- ные силовые ключи первой группы а

Ф также все N-1 силовые ключи второй группы, неуправляемые (диоды) и слу/ жат для предотвращения взаимного влияния каскадов друг на друга и предотвращения закорачивапия конденсаторов в процессе их дальнейшего перезаряда и разряда ° Снижение массы 39 преобразователя происходит за счет исключения схем управления к N-1 си

,ловым ключам первой и второй группы, а также последнего ключа второй группы.

По сравнению с известным предлагаемый преобразователь при одинаковом числе каскадов умножения позволяет передавать большую энергию. Это связано с тем, что в предлагаемом преоб- 4О разователе два конденсатора одного каскада умножения заряжаются так, что один из них заряжается до почти удвоенного напряжения источника питания, а другой до найряжения,которое 45 теоретически нахоДится в пределах от

Uп до 2U, где Uд — напряжение источника питания. Далее один из двух конденсаторов одного каскада перезаряжается. до обратного по знаку и равного по номиналу напряжения. Поэтому при передаче эквивалентной дозы энергии и сохранении одного и того же уровня выходного напряжения для предлагаемого преобразователя по сравнению с известным потребуется в 3-4 раза меньше каскадов умножения, что позволяет существенно уменьшить массу предлагаемого преобразователя.

В предлагаемом преобразователе с большим уровнем передаваемой мощности (при больших емкостях конденсаторов каскадов и малых временах заряда) индуктивности колебательного конутра заряда, перезаряда и разряда незначительны по массе. Поэтому суммарная масса введенных в предлагаемый преобразователь линейных дросселей, включенных в зарядный, разрядный контур конденсаторов и цепи их перезаряда, а также диодов, не превышает ту, снижение которой по сравнению с известным обеспечивает исключение двух управляемых ключей (8 и 15), схем управления к N-1 силовым ключам первой и второй группы, а также необходимого количества ключей и конденсаторов при каскадном умножении.

Фо рмула изобретения

Преобразователь постоянного напряжения в постоянное, содержащий два входных и два выходных вывода для подключения, соответственно источника постоянного напряжения и нагрузки, четырехполюсник, входом соединенный с входными выводами„а также выходной управляемый полупроводниковый ключ, подключенный анодом к положительному выходу четырехполюсника, состоящего из N поперечных ветвей, двух продольных ветвей, первая из которых включает полупроводниковые ключи первой группы, а вторая — полупроводниковые. ключи второй группы, а также И1 управляемых полупроводниковых ключей третьей группы, причем каждая из поперечных ветвей состоит из конденсатора, аноды полупроводниковых ключей, кроме первого, Первой группы объединены в общую точку, анод первого управляемого ключа этой .группы соединен с входным выводом для подключения положительного полюса источника постоянного напряжения, катоды полупроводниковых ключей второй группы объединены в общую точку, соединенную с входным выводом для подключения отри-. цательного полюса источника постоянного напряжения, конденсатор первой поперечной ветви одной обкладкой подключен к аноду первого ключа второй группы, конденсатор последней попе, речной ветви одной обкладкой соединен с катодом. последнего ключа первой группы, каждый из конденсаторов ос1541725

10 тальных поперечных ветвей включен между катодом соответствующего ключа первой группы и анодом соответствующего ключа второн Групп61 а кажд61й из управляемых ключей третьей группы катодом подключен к общей точке соединения катода соответствующего ключа первой группы с конденсатором последующей поперечной ветви, о т л и— ч ающ ий с я тем, что, с целью повбппення КПД и снижения массогабаритных показателей, полупроводниковые ключи, кроме первого, первой группы и полупроводниковые ключи второй t5 группы выполнены неуправляемыми, вывод свободной обкладки конденсатора первой оперечной ветви подключен к . общей точке соединения анодов ключей первой группы, соединенной с первым отрицательным выходным выводом, и через дополнительно введенн61й линейный дроссель, — к катоду первого ключа первой группы, вывод свободной обкладки конденсатора последней поперечной ветви подключен к общей точке соединения катодов ключей второй группы, параллельно конденсатору каждой поперечной ветви включены дополнительно введенные цепь перезаряда, состоящая из последовательно соединенных перераэрядных линейного дросселя и диода, и цепь, состоящая йз последовательно соединенных разделительного диода и дополнительного конденсатора, причем аноды разделитель" ного и перезарядного диодов соединены с обкладкой конденсатора, включенной в катодную цепь соответствующего ключа первой групп6, анод каждого из управляемых ключей третьей группы подключен к общей точке соединения разделительного.диода и дополнительного конденсатора, принадлежащих предбщущей поперечной ветви, общая точка соединения разделительного диода и

Ф дополнительного конденсатора последней поперечной ветви образует положительный выход четырехполюсиика, катод выходного управляемого ключа через дополнительно .введеннбй1 выходной линейный дроссель соединен с вторым положительным выходным выводом, а через дополнительно введенный выходной диод — с первым выходным выводом, к которому диод подключен анодом..

154 I 725

Редактор Н.Яцола

Заказ 287 Тираж 497 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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

Составитель Л.Устинкина

Техред Л,Сердюкова Корректор А.Обручар