Преобразователь напряжения с индуктивно связанными рекуперационными цепями
Владельцы патента RU 2396685:
Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН (RU)
Изобретение относится к преобразовательной технике и направлено на достижение технического результата - повышение КПД преобразователя напряжения за счет снижения динамических потерь мощности. Указанный технический результат достигается тем, что преобразователь напряжения содержит транзисторный ключ, управляющий и силовой входы которого являются первым и вторым входами преобразователя, а силовой выход подключен к третьему входу преобразователя через первичную обмотку первого трансформатора, параллельно которой подключена цепь из первого конденсатора, подключенного между выходом транзисторного ключа и соединенных катода первого и анода второго диода, катод которого подключен к третьему входу преобразователя, вторичная обмотка первого трансформатора подключена непосредственно к первому и через выпрямительный диод - ко второму выходу преобразователя, при этом в преобразователь введены дополнительные диоды и второй конденсатор, подключенный между анодом выпрямительного диода и соединенных катода третьего и анода четвертого диодов, причем катоды выпрямительного и четвертого диодов соединены со вторым выходом преобразователя, а аноды первого и третьего диодов подключены к второму входу и первому выходу преобразователя через первичную и вторичную обмотки второго трансформатора соответственно. 5 ил.
Изобретение относится к преобразовательной технике и может использоваться в источниках вторичного электропитания.
Известен однотактный обратноходовой преобразователь напряжения, содержащий транзисторный ключ, управляющий и силовой входы которого являются первым и вторым входами преобразователя, а силовой выход подключен к третьему входу устройства через первичную обмотку трансформатора. Вторичная обмотка трансформатора непосредственно соединена с первым выходом и через выпрямительный диод - со вторым выходом устройства. Во вторичной сети имеется цепь рекуперации, состоящая из конденсатора диодного узла и дросселя. Цепь обеспечивает включение ключа при нулевом токе, а запирание - при нулевом напряжении, что обеспечивает снижение динамических нагрузок на транзисторный ключ (RU 2031531 С1, 20.03.1995).
Основной недостаток данного устройства - потеря энергии, запасенной в индуктивности рассеяния трансформатора. Рассеяние этой энергии на транзисторном ключе приводит к снижению КПД устройства и увеличению установочной мощности транзисторного ключа.
Известен преобразователь напряжения, содержащий рекуперационную цепь, наиболее близкий по своей технической сущности к предлагаемому изобретению и выбранный в качестве прототипа. Данный преобразователь содержит транзисторный ключ, управляющий и силовой входы которого являются первым и вторым входами устройства, а силовой выход подключен к третьему входу устройства через первичную обмотку трансформатора, параллельно которой подключена рукуперационная цепь из конденсатора, подключенного между выходом транзисторного ключа и соединенных катода первого и анода второго диода, катод которого подключен к третьему входу устройства. Причем анод первого диода подключен ко второму входу устройства через дроссель. Вторичная обмотка трансформатора подключена непосредственно к первому и через выпрямительный диод - ко второму выходу устройства. Данный преобразователь осуществляет аккумулирование энергии индуктивности рассеяния трансформатора и возвращение этой энергии в первичный источник электропитания, подключенный ко второму и третьему входам устройства (US 4489373, 18.12.1984).
Недостаток устройства прототипа - сниженный КПД и завышенные установочные мощности транзисторного ключа и трансформатора. Данный недостаток обусловлен возвратом энергии индуктивности рассеяния во входную сеть и перегрузкой транзисторного ключа при первом выключении. Первое выключение транзисторного ключа происходит при высоком напряжении на его силовом выходе и обусловлено отсутствием соответствующего заряда конденсатора.
Технический результат изобретения - повышение КПД преобразователя напряжения за счет снижения динамических потерь мощности, которое достигается тем, что в преобразователе транзисторный ключ включается при нулевом токе и выключается при нулевом напряжении на выходе, а энергия паразитной индуктивности рассеяния трансформатора аккумулируется и передается в нагрузку.
Технический результат достигается тем, что преобразователь напряжения содержит транзисторный ключ, управляющий и силовой входы которого являются первым и вторым входами преобразователя, а силовой выход подключен к третьему входу преобразователя через первичную обмотку первого трансформатора, параллельно которой подключена цепь из первого конденсатора, подключенного между выходом транзисторного ключа и соединенных катода первого и анода второго диода, катод которого подключен к третьему входу преобразователя, вторичная обмотка первого трансформатора подключена непосредственно к первому и через выпрямительный диод - ко второму выходу преобразователя, при этом в преобразователь введены дополнительные диоды и второй конденсатор, подключенный между анодом выпрямительного диода и соединенных катода третьего и анода четвертого диодов, причем катоды выпрямительного и четвертого диодов соединены со вторым выходом преобразователя, а аноды первого и третьего диодов подключены к второму входу и первому выходу преобразователя через первичную и вторичную обмотки второго трансформатора соответственно.
На фиг.1 приведена принципиальная схема преобразователя напряжения, являющегося аналогом.
На фиг.2 приведена принципиальная схема преобразователя напряжения, выбранного в качестве прототипа.
На фиг.3 приведена принципиальная схема предлагаемого преобразователя напряжения.
На фиг.4 и 5 приведены диаграммы напряжений и токов, иллюстрирующие работу преобразователя.
Предлагаемый преобразователь напряжения содержит транзисторный ключ 1(Q1), управляющий и силовой входы которого являются первым 2(In1) и вторым 3(In2) входами преобразователя, а силовой выход подключен к третьему входу 4(In3) преобразователя через первичную обмотку первого трансформатора 5(Т1), параллельно которой подключена цепь из первого конденсатора 6(С1), подключенного между выходом транзисторного ключа 1(Q1) и соединенных катода первого 7(D1) и анода второго 8(D2) диода, катод которого подключен к третьему входу 4(In3) преобразователя, вторичная обмотка первого трансформатора 5(Т1) подключена непосредственно к первому 9(Out1) и через выпрямительный 10(D5) диод - ко второму 11(Out2) выходу преобразователя, при этом в преобразователь введены дополнительные диоды 12(D3), 13(D4) и второй конденсатор 14(С2), подключенный между анодом выпрямительного диода 10(D5) и соединенных катода третьего 12(D3) и анода четвертого 13(D4) диодов, причем катоды выпрямительного 10(D5) и четвертого 13(D4) диодов соединены со вторым выходом 11(Out2) преобразователя, а аноды первого 7(D1) и третьего 12(D3) диодов подключены к второму входу 3(In2) и первому выходу 9(Out1) преобразователя через первичную и вторичную обмотки второго 15(Т2) трансформатора соответственно.
Работа предлагаемого преобразователя в установившемся режиме происходит следующим образом. Транзисторный ключ 1(Q1) коммутирует первичную обмотку первого трансформатора 5(Т1) с частотой и скважностью задаваемых последовательностью импульсов, поступающих на управляющий вход 2(In1) преобразователя. Напряжения в первичной и вторичной цепях приведены относительно второго входа и первого выхода преобразователя соответственно. При открывании транзисторного ключа 1(Q1) к первичной обмотке первого трансформатора 5(Т1) прикладывается все питающее напряжение, подведенное к второму 3(In2) и третьему 4(In3) входам преобразователя, что вызывает нарастание тока в первичной обмотке первого трансформатора 5(Т1) и магнитного потока в сердечнике трансформатора 5(Т1). Полярность напряжения на вторичной обмотке для выпрямительного диода 10(D5) является запирающей, фиг.4(Г). Одновременно, под воздействием напряжения отрицательной полярности фиг.4(Б), обусловленного зарядом первого конденсатора 6(С1), начинает течь ток в контуре, состоящем из указанного конденсатора, первого диода 7(D1) первичной обмотки второго трансформатора 15(Т2) и транзисторного ключа 1(Q1). Этот ток перезаряжает первый конденсатор 6(С1), меняя полярность его заряда. Смена полярности заряда первого конденсатора 6(С1) позволяет использовать его заряд для замедления процесса нарастания напряжения на выходе транзисторного ключа 1(Q1) при его выключении. Напряжение отрицательной полярности, возникающее на вторичной обмотке первого трансформатора 5(Т1) при включении транзисторного ключа 1(Q1), создает условия для протекания тока по контуру, содержащему вторичные обмотки первого 5(Т1) и второго 15(Т2) трансформаторов, третий диод 12(D3) и второй конденсатор 14(С2). Скорость изменения тока (фиг.5(В)) в этом контуре определяется совокупностью действующих в нем потенциалов. При анализе процессов перезаряда первого 6(С1) и второго 14(С2) конденсаторов следует учитывать взаимное влияние их потенциалов. Это влияние осуществляется через индуктивно связанные первичную и вторичную обмотки второго трансформатора 15(Т2). Временные диаграммы изменения напряжения на первом 6(С1) и втором 14(С2) конденсаторах в точках их подключения к диодам представлены на фиг.4(Б) и 4(В) соответственно, а токи, определяющие изменение зарядов конденсаторов и протекающие через первый 7(D1) и третий 12(D3) диоды, представлены на фиг.5(Б) и 5(В) соответственно. Коэффициент трансформации для второго трансформатора 15(Т2) выбран так, что ко времени окончания прямого хода преобразователя напряжение первого конденсатора 6(С1) на его выводе подключенном к катоду первого 7(D1) и аноду второго 8(D2) диодов почти достигает значения питающего напряжения, а напряжение второго конденсатора 14(С2) на выводе подключенном к катоду третьего 12(D3) и аноду четвертого 13(D4) диодов превышает напряжение на втором выходе 11(Out2) преобразователя настолько, что вызывает протекание тока через четвертый диод 13(D4) и второй выход 11(Out2) непосредственно в емкостной фильтр и нагрузку, не показанные на чертеже. Наличие этого тока фиг.5(Д) и обеспечивает передачу в нагрузку части энергии паразитной индуктивности трансформатора 5(Т1), запасенной в первом конденсаторе 6(С1) при выключении транзисторного ключа 1(Q1) на предыдущем цикле работы преобразователя. Ток фиг.5(А), протекающий через транзисторный ключ 1(Q1) складывается из линейно нарастающего тока определяемого индуктивностью первичной обмотки первого трансформатора 5(Т1), тока перезаряда первого конденсатора 6(С1) и трансформированного первым трансформатором 5(Т1) тока перезаряда второго конденсатора 14(С2). Временная диаграмма тока транзисторного ключа 1(Q1) представлена на фиг.5(А). По окончании управляющего импульса транзисторный ключ 1(Q1) переходит в состояние отсечки тока и в преобразователе начинается переходной процесс к фазе обратного хода. При этом напряжения на обмотках первого трансформатора 5(Т1) начинают изменяться, меняя свою полярность. Причем ток первичной обмотки, протекавший через транзисторный ключ 1(Q1), начинает протекать по контуру, включающему первый конденсатор 6(С1) и второй диод 8(D2) увеличиваясь до тех пор, пока конденсатор 6(С1) не разрядится и напряжение на выводах первичной обмотки упадет до нуля, после чего напряжение на первом конденсаторе 6(С1) изменяет полярность и магнитный поток в первом трансформаторе 5(Т1) начинает спадать, а напряжение изменившейся полярности нарастать. Временная диаграмма протекающего через второй диод 8(D2) тока представлена на фиг.5(Г). Одновременно с изменением напряжения на первичной обмотке первого трансформатора 5(Т1) изменяется и напряжение на его вторичной обмотке. Уменьшение напряжения отрицательной полярности приводит к появлению тока через четвертый диод 13(D4) фиг.5(Д). Этот ток обусловлен разрядом второго конденсатора 14(С2) и способствует уменьшению скорости изменения напряжений на обмотках первого трансформатора 5(Т1). В момент, когда напряжение во вторичной обмотке первого трансформатора 5(Т1) превышает напряжение на втором выходе 11(Out2) и подключенным к нему фильтру и нагрузке, открывается выпрямительный диод 10(D5) и по контуру - вторичная обмотка первого трансформатора 5(Т1), выпрямительный диод 10(D5), нагрузка - начинает протекать постепенно спадающий ток обратного хода фиг.5(Е), определяемый запасенной в трансформаторе 5(Т1) энергией. В это время на выходе транзисторного ключа 1(Q1) напряжение становится равным сумме питающего напряжения и напряжения на нагрузке, приведенного к виткам первичной обмотки. Значение питающего напряжения, подведенного ко второму и третьему входам преобразователя, отмечено на фиг.4(А) прямой линией. Диаграмма фиг.4(А) иллюстрирует, что во время переходного процесса, вызванного отсечкой тока в транзисторном ключе 1(Q1), напряжение на его выходе превышает сумму питающего напряжения и напряжения на нагрузке, приведенного к виткам первичной обмотки на величину напряжения на первом конденсаторе 6(С1), обусловленного аккумулированием энергии паразитной индуктивности рассеяния первого трансформатора 5(Т1). Закрытое состояние транзисторного ключа 1(Q1) сохраняется до полной отдачи первым трансформатором 5(Т1) энергии в нагрузку, после открывания транзисторного ключа 1(Q1) все процессы повторяются аналогично. Напряжение на нагрузке с помощью сглаживающего фильтра поддерживается постоянным.
При первом включении транзисторного ключа (Q1) первый конденсатор 6(С1) разряжен. К моменту выключения транзисторного ключа (Q1) он 6(С1) заряжается током заряда второго конденсатора 14(С2), трансформированным вторым трансформатором 15(Т2).
Преобразователь напряжения, характеризующийся тем, что содержит транзисторный ключ, управляющий и силовой входы которого являются первым и вторым входами преобразователя, а силовой выход подключен к третьему входу преобразователя через первичную обмотку первого трансформатора, параллельно которой подключена цепь из первого конденсатора, подключенного между выходом транзисторного ключа и соединенных катода первого и анода второго диода, катод которого подключен к третьему входу преобразователя, вторичная обмотка первого трансформатора подключена непосредственно к первому и через выпрямительный диод ко второму выходу преобразователя, при этом в преобразователь введены дополнительные диоды и второй конденсатор, подключенный между анодом выпрямительного диода и соединенных катода третьего и анода четвертого диодов, причем катоды выпрямительного и четвертого диодов соединены со вторым выходом преобразователя, а аноды первого и третьего диодов подключены к второму входу и первому выходу преобразователя через первичную и вторичную обмотки второго трансформатора соответственно.
