Однотактный преобразователь напряжения

 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в регулируемых источниках вторичного электропитания, в преобразователях с многоячейковой структурой. Цель изобретения - повышение КПД и снижение уровня генерируемых радиопомех. Преобразователь содержит трансформаторный узел 1, входная цепь которого подключена к выходу ключевого коммутатора 4, а выходная - к выходным выводам. Входная цепь образована K первичными обмотками, выполненными на одном или нескольких трансформаторах 14 и соединенными через (K - 1) введенных диодов 11 согласно-последовательно между собой, к началу первой обмотки через 2 (K - 1) введенных конденсаторов 9 подключены начала остальных обмоток, а к концу последней через конденсаторы 10 - концы остальных обмоток. Это позволяет использовать преобразователь на этапе переключения как резонансный, т.е. без динамических потерь, а на основной части периода как обычный преобразователь с прямым или обратным включением диода. 5 ил.

) COIO3 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)л Н 02 М 3/335

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

I

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ. 1

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4416082/24-07 (22) 25.04,88 (46) 15.12.90. Бюл. М 46 (71) Научно-исследовательский институт автоматики и электромеханики при Томском институте автоматизированных систем управления и радиоэлектроники (72) Н.М. Музыченко (53) 621.314.57(088.8) (56) Моин В.С„Лаптев Н.Н. Стабилизированные транзисторные преобразователи постоянного напряжения. М.: Энергия, 1972, с. 346-348..

Авторское свидетельство СССР

М 1101988, кл. 3/335,,1984, (54) ОДНОТАКТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

НАПРЯЖЕНИЯ (57) Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в регулируемых источниках вторичного электропитания, в преобразователях с мно„„ЯУ„„161408О А1 гоячеистой структурой. Цель изобретения— повышение КПД и снижение уровня генерируемых радиопомех. Преобразователь содержит трансформаторный узел 1, входная це; ь которого подключена к выходу ключевого коммутатора 4, а выходная — к выходным выводам. Входная цепь образована k первичными обмотками, выполнеными на одном или нескольких трансформаторах 14 и соединенными через (k-1) введенных диодов 11 согласно-последовательно между собой, к началу первой обмотки через 2(k-1) введенных конденсаторов 9 подключены начала остальных обмоток, ак концу последней через конденсаторы 10 — концы остальныхх обмоток. Это позволяет использовать преобразователь на этапе переключения ключей как резонансный, т,е. без динамических потерь, а на основной части периода как обычный преобразователь с прямым или обратным включением диода. 5 ил, 1614080

20 узел 1, входная цепь 2, 3 которого подключена к коммутатору 4 на ключевых эле- 25

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в регулируемых источниках вторичного электропитания, в преобразователях - многоячеистой структурой.

На фиг. 1 показана структурная схема предложенного однотактного преоб>разователя напряжения; на фиг. 2 — схема преобразователя напряжения с тра нсформаторн ы м узлом, вкл ючен нь.м последователъно с ключевым элементом, и с обратным включением диода выпрямителя в цепи нагрузки; на фиг. 3 — схема преобразователя, с предложенным трансформаторHblM узлом, включенным параллельно ключевому элементу коммутатора; на фиг, 4трансформаторный узел, выполненный на трех трансформаторах и четырех первичных обмотках во входной цепи; на фиг. 5 — осциллограммы на транзисторном ключе коммутатора, Однотактный преобразователь напряжения содержит (фиг. 1) трансформаторный ментах 5, а выходная 6, 7 — к нагрузке 8.

Трансформаторный узел 1 выполнен, например, на двух конденсаторах 9 и 10, одном диоде 11 и двух первичных обмотках 12 и 13, например, одного трансформатора 14.

Первичные обмотки 12 и 13 соединены через диод 11 согласно-последовательно между собой. К началу обмотки 12 через конденсатор 9 подключено начало обмотки

13, а к концу обмотки 13 через конденсатор

10 —. конец обмотки 12, Коммутатор 4 через фильтр 15 подключен к питающим шинам 16 и 17.

Коммутатор 4 может быть выполнен по любой из известных схем, например на двух транзисторах и двух рекуперационных диодах (мостовая однотактная схема), В этой схеме при любых режимах работы напряжение на ключевых элементах не превышает напряжения с выхода фильтра 15.

Для примера на фиг. 2 показан- наиболее простая электрическая схема преобразователя на одном транзисторном ключе 5.

Выходная цепь 6, 7 трансформаторного узла 1 подключена через диод 18 и конденсатор 19 к сопротивлению 20 нагрузки 8. К питающим шинам 16 и 17 подключен фильтр

15 на конденсаторе 21, На фиг. 3 трансформаторный узел 1 подключен параллельно ключевому элементу 5, выполненному, например, на полевом транзисторе. При коммутации транзистора 5 ограничение тока разряда конденсатора 21 обеспечивает дроссель 22, Фильтр 15 в этой схеме выполнен по Г-образной схеме из ем40

55 кости 21 и индуктивности 22. К выходной цепи сопротивление 20 нагрузки подключено непосредственно, На осциллограммах фиг. 5 позицией 23 обозначено на п ря >хе ни е на тра нзисторном ключе 5 (фиг, 2), позицией 24 — ток через транзисторный ключ 5.

Преобразователь по схеме на фиг. 2 работает следующим образом, На первом этапе транзисторный ключ 5 закрыт, конденсаторы 9, 10 и 19 разряжены, а конденсатор 21 заряжен до напряжения источника питания. При открывании ключа

5, момент t> (фиг. 5), по колебательному закону начинается процесс заряда конденсаторов 9 и 19 и плавное нарастание тока 24 через ключ 5. Скорость нарастания тока ограничена индуктивностью трансформатора

14. Когда в момент tz напряжение на конденсаторах 9 и 10 достигнет величины половины напряжения на конденсаторе 21, . открывается диод 11 и до момента 1з преобразователь работает так же„как и при отсутствии элементов 9, 10 и 11, При обратном включении диода 18 энергия питающей сети в это время запасается в индуктивности трансформатора 14, В момент тз ключ 5 запирается при нулевом напряжении на нем и максимальном (в этом полупериоде) токе.

Затем конденсатор 9 разряжается на обмотку 12 через диод 11, а конденсатор 10 — на обмотку 13 через диод 11. Запасенная энергия в трансформаторе 14 через диод 18 подэаряжает конденсатор 19, который поддерживает постоянное напряжение на сопротивлении 20 нагрузки в течение оставшейся части периода. Запасенная энергия в обмотках трансформатора также перезаря>кает конденсаторы 9 и 10 через диод 11 (M, фиг, 5), После прекращения тока в выходной цепи 6, 7 преобразователь готов к следующему циклу работы. Процессы переключения трансформатора 14 из режима накопления в режим отдачи энергии в нагрузку осуществляются по колебательному закону, что уменьшает спектр высших гармоник как в цепи питания 16, 17, так и в цепи нагрузки 6, 7. Время перезаряда конденсаторов 9 и 10 можно регулировать, изменяя их величину, Величина емкости этих конденсаторов обусловливает форму тока через кл юч 5.

Подключение трансформаторного узла параллельно ключевому элементу 5 (фиг. 3) практически не изменяет формы тока и напряжения на ключевом элементе. При закрытом транзисторе 5 конденсаторы 9 и 10 заряжены. B момент отпирания ключа 5 через него и индуктивность 22 начинает протекать ток разряда конденсатора 21 и

1614080 питающей сети по шинам 16 и 17, а также ток разряда конденсаторов 9 и 10 через обмотки 12 и 13 трансформатора 14. В выходную цепь 6, 7 и нагрузку поступает энергия, запасенная в конденсаторах 9 и 10, После того, как конденсаторы 9 и 10 разрядятся, а ток через дросель 22 достигнет максимальной величины, запирается ключ 5. В момент запирания ключа 5 на нем присутствует минимальное напряжение(падение на диоде 11). Запасенная энергия дросселя 22 по колебательному (или линейному) закону заряжает конденсаторы 9 и 10 через диод 11 и передается в нагрузку 20 через трансформатор 14, так как в процессе заряда конденсаторов 9 и 10 ток дросселя 22 поступает в обмотки 12 и 13, При определенных соотношениях индуктивности дросселя 22 и конденсаторов 9 и 10 в нагрузке можно получить синусоидгльный так, В ряде случаев необходимо форсированное накопление энергии в индуктивности нагрузки, т.е, накопление энергии эа малый праме>куток времени по отношению к периоду. При выполнении преобразователя с обратным включением диода 18 (фиг. 2) выпрямителя при параллельном соединении вторичных обмоток трансформаторов (фиг. 4) удается значительно быстрее зарядить конденсатор 19 фильтра до требуемого уровня напряжения. Б этом случае при меньшем коэффициенте заполнения импульсов в первичной цепи наблюдается большой коэффициент заполнения импульсов тока во вторичной цепи, а следовательно, меньший коэффициент пульсаций, что важно для систем вторичного электропитания, При работе преобразователя на индуктивную нагрузку 8 для быстрой смены полярности протекающего тока нагрузки предпочтительнее использовать трансформаторный узел, выполненный по схеме на фиг. 4, так как в момент t> к нагрузке приложено напряжение, a i< раз большее, чем в обычном трансформаторе, и, следовательно, примерно в k раз быстрее изменяется полярность выходного тока, Большую часть периода транзисторный ключ закрыт и, следовательно, можно использовать ега импульсные характеристики по току без ухудшения тепловых режимов, Принцип работы схемы остается прежним за исключением того, что первичная цепь выполняется многокаскадной (фиг. 4), а заряд конденсаторов осуществляется до меньшего напряжения.

Раздельное выполнение трансформаторов позволяет уменьшить паразитные па; раметры обмоток, что уменьшает высокочастотные,<олебания в 1амент t1,; когда открывае;ся ключ 5, Двухабмоточные трансформаторы более технологичны в прои:.âoäñòâå, чта важно при многак":- альнам

5 выходе.

Числа обмоток k определяется числом трэн-форматорав, а их число определяется из," ловия необходимого коэффициента трансформации при параллельном саедиче10 ":;:.è вторичных обмоток.

При единичном коэффициенте трансформации получается максимальный коэффициент связи между обмотками. Изменяя исла трансформаторов, можно получить

15 разл,чные уровни напряжений на нагрузке.

Б некоторых случаях число трансфармата; ав определяет число нагрузок. Таким образам, при однотипном трансформаторе ма><на получить ряд преобразовательных

20 устройств с различными уровнями выходных параметров, чта повышает технолагичкос-,ü и унификацию при массовом производстве.

Таким образом, предложенное устрой25 ство позволяет исключить динамические потери практически полностью, па повышает надежность, уменьшает уровень генерируемых высокочастотных помех и позволяет в несколько раз увеличить,асто30 ту преобразования на применяемой в прототипе элементной базе. Значительно сокращается вероятность вторичного пробоя биполярных транзисторных ключей.

Транзисторные ключи позволяют у величить

35 TQK. что повышает выходную мсщность, Преобразователь обладает большим диапазонам регулирования без динамических потерь с помощью ширатной модуляции, Предложенный преобразователь рабо40 тает в моменты коммутации как резонансный, а оставшуюся часть периода — как обычный инвертор напряжения. Трансформаторный узел 1 можно включать параллельно ключевым элементам (фиг. 3) и в

45 известных схемах преобразователей, что также уменьшает динамические потери, которые в данном случае превращаются в полезную энергию, что повышает КПД и коэффициент использования ключевых эле50 ментов.

Формула изобретения

Однотактный преобразователь напряжения, содержащий трансформаторный

55 узел, входная цепь которого подключена к выходу ключевого коммутатора, вход которого соединен с входными выводами преобразователя, а выходная цепь — с выходными выводами, с т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения КПД и снижения уровня

1614080

Фигз

Составитель С, Коняхин

Редактор Л. Пчолинская Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор В. Гирняк

Заказ 3896 Тираж 498 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гаг арина, 101 генерируемых радиопомех, в трансформаторный узел введены 2(k-1) конденсаторов и (k-1) диодов, à его входная цепь образована k первичными обмотками, выполненными на одном или нескольких трансформаторах и соединенными через указанные диоды последовательно-.согласно между собой, к началу первой первичной обмотки через (k-1) конденсаторов подключены начала (k-1) первичных обмоток, а к

5 концу последней также через(К-1) конденсаторов — концы (k-1) первичных обмоток.