Выходная цепь импульсного преобразователя напряжения, способ её гальванической рязвязки, импульсный преобразователь напряжения и импульсный источник питания



Выходная цепь импульсного преобразователя напряжения, способ её гальванической рязвязки, импульсный преобразователь напряжения и импульсный источник питания
Выходная цепь импульсного преобразователя напряжения, способ её гальванической рязвязки, импульсный преобразователь напряжения и импульсный источник питания
Выходная цепь импульсного преобразователя напряжения, способ её гальванической рязвязки, импульсный преобразователь напряжения и импульсный источник питания
Выходная цепь импульсного преобразователя напряжения, способ её гальванической рязвязки, импульсный преобразователь напряжения и импульсный источник питания
Выходная цепь импульсного преобразователя напряжения, способ её гальванической рязвязки, импульсный преобразователь напряжения и импульсный источник питания
Выходная цепь импульсного преобразователя напряжения, способ её гальванической рязвязки, импульсный преобразователь напряжения и импульсный источник питания
Выходная цепь импульсного преобразователя напряжения, способ её гальванической рязвязки, импульсный преобразователь напряжения и импульсный источник питания
Выходная цепь импульсного преобразователя напряжения, способ её гальванической рязвязки, импульсный преобразователь напряжения и импульсный источник питания
Выходная цепь импульсного преобразователя напряжения, способ её гальванической рязвязки, импульсный преобразователь напряжения и импульсный источник питания

 


Владельцы патента RU 2467460:

Тарасов Дмитрий Геннадьевич (RU)
Титков Сергей Иванович (RU)

Группа изобретений относится к технике импульсных преобразователей напряжения и может быть использована при проектировании их гальванически развязанных выходных цепей. Технический результат - создание технических решений гальванической развязки выходной цепи импульсного источника питания и/или импульсного преобразователя напряжения, включая цепи полезной нагрузки, отличающихся простотой, компактностью, надежностью и повышенным КПД, прикасающихся к оборудованию, имеющему электрический контакт с цепями полезной нагрузки как для исправного, так и неисправного импульсного источника питания и/или импульсного преобразователя напряжения. Для этого в выходной цепи импульсного преобразователя напряжения, включающей устройство гальванической развязки с выпрямителем и сглаживающий фильтр, выпрямитель подключен к ключевому каскаду через две или более разделительных емкости, а полезная нагрузка подключена к выпрямителю через две или более разделительные индуктивности. В способе гальванической развязки подавление постоянного тока и токов промышленных частот осуществляют с использованием реактивных сопротивлений емкостного характера, а подавление токов собственных частот импульсного преобразователя напряжения осуществляют с использованием реактивных сопротивлений индуктивного характера. В импульсном преобразователе напряжения и в импульсном источнике питания ключевые каскады и выходные цепи выполнены с возможностью реализации предыдущих технических решений. 4 н. и 4 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Группа изобретений относится к технике импульсных преобразователей напряжения и, соответственно, источников питания и может быть использована при проектировании их гальванически развязанных выходных цепей.

Существуют различные определения термина «гальваническая развязка», в частности гальваническая развязка - это передача энергии или сигнала между электрическими цепями без электрического контакта между ними, однако четкого, общепринятого определения не существует.

Термин гальваническая развязка используется при описании условий переноса энергии или сигнала между электрически изолированными цепями, поэтому более корректно будет определение: гальваническая развязка - это контролируемая передача энергии или сигнала между разделенными (изолированными) электрическими цепями.

Во многих устройствах допускается протекание не опасных для людей и самого устройства токов между гальванически развязанными узлами, если это необходимо для улучшения потребительских свойств изделия. Так, например, металлические корпуса некоторых импульсных блоков питания соединены с сетевыми проводниками конденсаторами небольшой емкости - порядка 10 нФ - являющимися составной частью входного фильтра. Через них может течь ток от фазового провода при контакте с корпусом в несколько миллиампер, что конструктивно заложено в параметры этого устройства и не является опасным для людей и электрических схем, связанных с ним.

Определение гальванической развязки, используемое в данной заявке, следующее: гальваническая развязка - это разделение (изоляция) электрических цепей подавлением между ними не определяемых параметрами конструкции этих цепей токов с контролируемой передачей энергии или сигналов между ними.

Устройство, обеспечивающее гальваническую развязку между цепями, исключает протекание между ними не определяемых параметрами конструкции этого устройства токов. В настоящее время чаще всего для передачи сигнала между цепями, при условии их гальванической развязки, используется оптрон, а для передачи энергии между цепями - трансформатор, но иногда предлагаются конструкции устройств с так называемой условной гальванической развязкой, в которых изоляция электрических цепей выполняется лишь при исправности элементов этих устройств.

Известен конденсаторный преобразователь напряжения с умножением тока [«Конденсаторный преобразователь напряжения с умножением тока» // Радио, 1999, №1, стр.42-44 или см. http://pc.fk0.pp.ru/pub/books/-hard/radio/199901/p42(44.htm]. Преобразователь включает выходную цепь с «плюсовой» и «минусовой» клеммами Х2, X3, коммутирующим транзистором VT3, амперметром РА1.

Выходную цепь этого устройства можно считать гальванически развязанной с сетью формально (условно), т.е. только при исправности всех элементов схемы, так как выход из стоя отдельных элементов, например транзистора VT3, диодов VD3 или VD4 приведет к соединению выходной цепи с сетью, что может привести к протеканию не определяемых параметрами конструкции этого устройства токов, опасных для людей и рабочих элементов схемы. Например, пробой диода VD3 приводит к соединению через него сетевого разъема X1 и «плюсовой» выходной клеммы Х2, что может быть опасным для жизни при прикосновении к клеммам Х2 и X3, при этом устройство будет оставаться работоспособным.

Известен импульсный источник питания на базе ШИМ-контроллера NCP1200 [см. http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/174811/-ONSEMI/NCP1200.html], выходная цепь которого включает устройство гальванической развязки, выполненное в виде импульсного трансформатора, выпрямитель и сглаживающий фильтр.

Наиболее характерным и близким аналогом заявляемого технического решения является выходная цепь импульсного преобразователя напряжения импульсного источника питания с ключевым каскадом, включающая устройство гальванической развязки на основе импульсного трансформатора, выпрямитель и сглаживающий фильтр [Раймонд Мэк, Импульсные источники питания, Москва, Издательский дом «Додэка-XXI, 2008, стр.20]. Импульсный трансформатор служит для передачи энергии от импульсного преобразователя к другим элементам выходной цепи и обеспечения их гальванической развязки от остальных, как правило, гальванически связанных с сетью узлов импульсного преобразователя. После выпрямления и сглаживания фильтром на нагрузке присутствует определяемое конструкцией импульсного блока питания постоянное напряжение.

Основным недостатком настоящей выходной цепи является наличие импульсного трансформатора, что влечет за собой увеличение габаритов импульсных блоков питания, включающих эту цепь, низкий КПД на малых мощностях (менее 80% при 1-20 Вт - см. «Методика и программа расчета импульсного трансформатора двухтактного преобразователя» // Радио, 2006, №6, стр.35), сложность модернизации, уменьшение рабочего диапазона выходных напряжений и токов и, как следствие, увеличение стоимости.

Задача, решаемая первым изобретением группы связанных единым изобретательским замыслом технических решений, и достигаемый технический результат заключаются в создании очередного технического решения выходной цепи импульсного источника питания, составной частью которого является импульсный преобразователь напряжения, и/или импульсного преобразователя напряжения, отличающихся простотой, компактностью, надежностью и повышенным КПД, обеспечивающих контролируемую передачу энергии от ключевого элемента импульсного источника питания и/или импульсного преобразователя напряжения в их выходные цепи и исключающих возникновение выравнивающих и других, не определяемых параметрами конструкции импульсного источника питания и/или импульсного преобразователя напряжения электрических токов, способных повреждать компоненты цепи или поражать людей, прикасающихся к оборудованию, имеющему электрический контакт с цепями полезной нагрузки, как для исправного, так и неисправного импульсного источника питания и/или импульсного преобразователя напряжения.

Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата в выходной цепи импульсного преобразователя напряжения с ключевым каскадом, включающей устройство гальванической развязки с выпрямителем и сглаживающий фильтр, выпрямитель подключен к ключевому каскаду через две или более разделительных емкости, а полезная нагрузка подключена к выпрямителю через две или более разделительные индуктивности. Кроме этого, полезная нагрузка может быть подключена к разделительным индуктивностям с использованием дополнительного сглаживающего фильтра.

Существуют разнообразные способы гальванической развязки выходных цепей импульсных источников питания и/или импульсных преобразователей напряжения [см., например, предыдущие источники информации], суть которых сводится к разделению (изоляции) выходных цепей от других узлов импульсного источников питания и/или импульсных преобразователей напряжения для подавления протекания между ними не определяемых параметрами конструкции этих цепей и импульсного преобразователя токов с контролируемой передачей энергии или сигналов.

Самым распространенным, трансформаторным способом гальванической развязки ключевого каскада импульсного источника питания и/или импульсного преобразователя и его выходной цепи является подавление не определяемых параметрами их конструкций протекающих между ними токов за счет их механического разделения, при этом для передачи энергии энергия импульсного преобразователя преобразуется в энергию магнитной индукции, а затем обратно в энергию электрического тока в выходной цепи [см. http://pdf1.alldatasheet.com/datasheetpdf/view/174811/-ONSEMI/NCP1200.html].

В общем случае трансформаторный способ гальванической развязки выходной цепи импульсного источника питания реализован в работе выходной цепи импульсного преобразователя напряжения [см. книгу Раймонд Мэк, Импульсные источники питания - рис.1.7]. Способ заключается в контролируемой передаче энергии (и/или сигнала) между разделенными (изолированными) электрическими цепями при помощи преобразования энергии переменного электрического тока одной цепи в энергию электромагнитной индукции и преобразования энергии электромагнитной индукции в энергию электрического тока во второй цепи.

Недостатками известного способа являются достаточная сложность его аппаратной реализации, преимущественно за счет конструкции импульсного трансформатора, и потери энергии электромагнитной индукции, приводящие к общей потере энергии, что приводит к снижению КПД импульсного источника питания и/или импульсного преобразователя напряжения.

Задача, решаемая вторым изобретением группы и достигаемый технический результат заключаются в создании очередного способа гальванической развязки выходной цепи импульсного источника питания и/или импульсного преобразователя напряжения, особенности которых определяются возможностями их выходных цепей, выполненных согласно первому изобретению группы.

Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата в способе гальванической развязки выходной цепи импульсного преобразователя напряжения, заключающемся в подавлении не определяемых параметрами его конструкции протекающих через эту цепь токов при контролируемой передаче энергии от импульсного преобразователя напряжения в его выходную цепь, подавление постоянного тока и токов промышленных частот осуществляют с использованием реактивных сопротивлений емкостного характера, а подавление токов собственных частот импульсного преобразователя напряжения осуществляют с использованием реактивных сопротивлений индуктивного характера. Дополнительно, подавление не определяемых параметрами конструкции протекающих через выходную цепь токов осуществляется до уровней, не влияющих на работу преобразователя напряжения и самой выходной цепи и не вызывающих поражение людей, прикасающихся к полезной нагрузке или оборудованию, имеющему с ней электрический контакт.

Типовой импульсный преобразователь включает источник постоянного напряжения, ключевой каскад и выходную цепь, выполненную, как правило, с использованием импульсного трансформатора [см. http://pdf1.-alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/174811/ONSEMI/NCP1200.html]. Первичная обмотка импульсного трансформатора подключается к ключевому каскаду импульсного преобразователя, напряжение с вторичной обмотки выпрямляется, фильтруется и подводится к нагрузке.

Известен типовой импульсный преобразователь, который включает источник постоянного напряжения, ключевой каскад и выходную цепь, выполненную, как правило, с трансформаторной гальванической развязкой [см. книгу Раймонд Мэк, Импульсные источники питания - рис.1.7.].

Недостатком такого преобразователя является высокая стоимость, большие габариты, невысокий КПД на малых мощностях - менее 80% при 1-20 Вт (см. «Методика и программа расчета импульсного трансформатора двухтактного преобразователя» // Радио, 2006, №6, стр.35), а также трудности с последующей модернизацией, требующей замены импульсного трансформатора и ограниченные возможности по изменению выходного напряжения.

Задача, решаемая третьим изобретением группы, и достигаемый технический результат аналогичны двум первым изобретениям группы, с поправкой на объект - импульсный преобразователь напряжения.

Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата в импульсном преобразователе напряжения, включающем источник постоянного напряжения, ключевой каскад и выходную цепь, последняя выполнена согласно вышеописанным изобретениям в части конструктивного исполнения и способа ее гальванической развязки. Кроме этого, преобразователь включает, по меньшей мере, одну дополнительную выходную цепь, выполненною аналогично первой (основной).

Существует потребность в компактных, надежных и эффективных импульсных источниках питания, обеспечивающих подавление не определенных их технико-эксплуатационными параметрами токов, способных привести к повреждению рабочих элементов источника или к поражению электрическим током людей, прикасающихся к подключенным к нему устройствам.

Известен трансформаторный источник питания, который включает подключенный к промышленной сети линейный трансформатор, выпрямитель и регулируемый стабилизатор напряжения с выходной цепью [«Низковольтный выпрямитель» // Радио, 1971, №4, стр.52-53]. Гальваническая развязка выходной цепи этого устройства от промышленной сети осуществляется за счет развязки всей электрической схемы, осуществляемой трансформатором.

До 80-х годов прошлого столетия трансформаторные источники питания применялись повсеместно, а потом стали вытесняться импульсными источниками питания благодаря ряду преимуществ, например меньшему весу, габаритам и т.д.

Импульсные трансформаторы имеют существенно меньшие габариты при аналогичной мощности по сравнению с линейными трансформаторами. Вместе с тем, импульсные трансформаторы имеют ряд недостатков: высокая цена - до 50% от стоимости блока питания, большие габариты по сравнению с остальными компонентами импульсных источников питания, невысокий КПД на малых мощностях (около 80% при 1-20 Вт - см. статью «Методика и программа расчета импульсного трансформатора двухтактного преобразователя» // Радио). Кроме того, мощность и габариты импульсного источника питания определяется мощностью импульсного трансформатора, что приводит к компромиссу между миниатюризацией и мощностью. Наличие импульсного трансформатора затрудняет модернизацию импульсного источника питания, так как для этого почти всегда требуется замена импульсного трансформатора. Конструкция импульсного трансформатора определяет выходные параметры всего блока питания, что ограничивает диапазон возможной перестройки последнего.

В импульсных источниках питания, предназначенных для работы от сети переменного тока, происходит выпрямление сетевого напряжения при помощи выпрямителя и фильтра, преобразование полученного постоянного напряжения импульсным преобразователем в переменное высокочастотное напряжение прямоугольной формы, которое трансформируется до требуемых значений, затем выпрямляется и фильтруется. Гальваническую развязку выходных цепей и передачу в них энергии от импульсного преобразователя осуществляет импульсный трансформатор.

В частности, известен типовой импульсный источник питания, включающий сетевой выпрямитель, импульсный преобразователь, ключевой каскад и выходную цепь с нагрузочный элементом выходного каскада в виде первичной обмотки трансформатора [см. книгу Раймонд Мэк, Импульсные источники питания - фиг.1].

Недостатком известного источника питания, так же как и у импульсного преобразователя напряжения, являются высокая стоимость, большие габариты, невысокий КПД на малых мощностях, а также трудности с модернизацией, требующей замены импульсного трансформатора, и ограниченные возможности по регулировке.

Задача, решаемая четвертым изобретением группы и достигаемый технический результат аналогичны трем первым изобретениям группы, с поправкой на объект - импульсный источник питания.

Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата в импульсном источнике питания, включающем сетевой выпрямитель, импульсный преобразователь напряжения, ключевой каскад и выходную цепь, импульсный преобразователь и выходная цепь выполнены согласно вышеописанным изобретениям с возможностью реализации способа гальванической развязки. Дополнительно, источник питания включает, по меньшей мере, одну дополнительную выходную цепь, выполненную аналогично первой (основной).

Изобретения поясняются чертежами, где

- на фиг.1 показана принципиальная электрическая схема выходной цепи импульсного преобразователя напряжения с индуктивно-емкостной гальванической развязкой;

- на фиг.2 показан фрагмент выходной цепи с использованием дополнительного сглаживающего фильтра;

- на фиг.3 показана типовая схема импульсного источника питания на базе ШИМ-контроллера NCP1200;

- на фиг.4 - схема импульсного источника питания с применением индуктивно-емкостной гальванической развязки на базе ШИМ-коконтроллера NCP1200;

- на фиг.5 показан пример применения индуктивно-емкостной гальванической развязки к мостовым импульсным преобразователям напряжения;

- на фиг.6 - пример применения индуктивно-емкостной гальванической развязки к полумостовым импульсным преобразователям напряжения.

- на фиг.7 - импульсный источник питания с индуктивно-емкостной гальванической развязкой;

- на фиг.8 - импульсный источник питания (импульсный преобразователь напряжения) с тремя выходными цепями;

- на фиг.9 для сравнения показана типовая выходная цепь импульсного преобразователя с трансформаторной гальванической развязкой.

Импульсный преобразователь 1 содержит источник постоянного напряжения (условно не показан), ключевой каскад 2 и выходную цепь 3, включающую устройство 4 и 4' гальванической развязки с выпрямителем 5 и сглаживающий фильтр 6, при этом выпрямитель 5 подключен к ключевому каскаду 2 через две или более разделительных емкости 7 и 7', являющиеся элементом гальванической развязки, а полезная нагрузка 8 подключена к выпрямителю 5 через две или более разделительные индуктивности 9 и 9', также являющиеся элементом гальванической развязки и, одновременно, элементами сглаживающего фильтра 6. Полезная нагрузка 8 может быть подключена к разделительным индуктивностям 9 и 9' с использованием дополнительного сглаживающего фильтра 10. Импульсный преобразователь 1 может включать, по меньшей мере, одну дополнительную выходную цепь 3', выполненную аналогично цепи 3.

Способ гальванической развязки выходной цепи 3 импульсного преобразователя 1 напряжения при контролируемой передаче энергии от преобразователя в его выходную цепь заключается в подавлении постоянного тока и токов промышленных частот с использованием реактивных сопротивлений емкостного характера - разделительных емкостей 7 и 7', а подавление токов собственных частот импульсного преобразователя 1 с использованием реактивных сопротивлений индуктивного характера - разделительных индуктивностей 9 и 9'. Подавление не определяемых параметрами конструкции протекающих через выходную цепь 3 токов осуществляется до уровней, не влияющих на работу импульсного преобразователя 1 и самой выходной цепи 3 и не вызывающих поражение людей, прикасающихся к полезной нагрузке 8 (ее цепям) или оборудованию, имеющему с ней электрический контакт.

Полученную гальваническую развязку цепей полезной нагрузки импульсного источника питания и/или импульсного преобразователя напряжения можно квалифицировать как индуктивно-емкостную.

Импульсный источник питания (см. фиг.4, 7 и 8) включает сетевой выпрямитель 11, импульсный преобразователь 1 с ключевым каскадом 2 и выходную цепь 3, которые выполнены согласно упомянутым техническим решениям, при этом он может включать, по меньшей мере, одну дополнительную выходную цепь 3', выполненною аналогичным образом.

Проанализируем существенные признаки изобретений.

В отличие от трансформаторной развязки, которая обеспечивает передачу энергии, разделение цепей по постоянному току, разделение цепей по току промышленных частот и разделение цепей для токов собственных частот работы импульсных преобразователей 1, в индуктивно-емкостной гальванической развязке, выполненной согласно изобретениям, разделение цепей ключевого каскада 2 и выпрямителя 5 по постоянному току, току промышленных частот, и передачу энергии реализуют при помощи конденсаторов 7 и 7', а разделение выпрямителя 5 и цепей полезной нагрузки 8 для токов собственных частот работы импульсных преобразователей 1 - при помощи индуктивностей 9 и 9'. Параметры применяемых емкостей 7 и 7' и индуктивностей 9 и 9' зависят от частоты работы импульсного преобразователя 1 - с повышением частоты их номиналы уменьшаются.

Индуктивно-емкостная гальваническая развязка эффективно подавляет не определяемые параметрами конструкции протекающие токи до уровней, не влияющих на работу импульсного преобразователя 1 и самой выходной цепи 3 и не вызывающих поражение людей, прикасающихся к цепям полезной нагрузки 8 или оборудованию, имеющему с ними электрический контакт. Уровень подавления токов зависит от номиналов элементов индуктивно-емкостной развязки.

Полезная нагрузка может быть подключена к разделительным индуктивностям 9 и 9' с использованием дополнительного сглаживающего фильтра 10, в качестве которого можно применить выпускаемые серийно дроссели для сетевых фильтров, в результате чего можно уменьшить номиналы величин индуктивностей 9 и 9'.

Выполнение выходной цепи 3 импульсного преобразователя напряжения 1 согласно изобретению позволило создать простые, компактные и надежные импульсные преобразователи напряжения и импульсные источники питания, отличающиеся от аналогов, например, с трансформаторной развязкой более высоким КПД, меньшими габаритами, имеющими больший диапазон регулировки выходных параметров, больший запас мощности, а при их оснащении дополнительными соответствующими выходными цепями 3' можно получить любое количество требуемых выходных напряжений.

Каждый проводник (в самом простом варианте их два - см. фиг.1), соединяющий выпрямитель 5 и ключевой каскад 2 импульсного преобразователя напряжения 1, подключен через разделительные конденсаторы 7 и 7', таким образом, непосредственный контакт между ними отсутствует.

Перенос энергии от ключевого каскада 2 импульсного преобразователя напряжения 1 в его выходную цепь 3 осуществляется благодаря току смещения в конденсаторах 7 и 7', возникающему при их заряде и разряде, или изменения их заряда на противоположный (в зависимости от типа ключевого каскада 2 импульсного преобразователя 1).

Конденсаторы 7 и 7' изолируют выпрямитель 5, а следовательно и полезную нагрузку 8, от выходного каскада 2 импульсного преобразователя напряжения (источника питания) 1 по постоянному току. При неисправности импульсного преобразователя напряжения 1, входящего в состав импульсного источника питания, к конденсаторам 7 и 7' может быть приложено напряжение промышленной частоты. Емкость конденсаторов 7 и 7' выбирают с таким расчетом, что они имеют высокое сопротивление для токов промышленных частот и фактически изолируют от них выпрямитель 5, а следовательно, и полезную нагрузку 8. Например, конденсатор емкостью 10000 пФ на частоте 50 Гц имеет реактивное сопротивление 318310 Ом, при подведенном к конденсатору напряжению 220 B с промышленной частотой 50 Гц ток через него не превысит 0,7 мА (пренебрежительно малый ток), при этом на частоте 500000 Гц для синусоидального тока его реактивное сопротивление составляет всего 31 Ом (для импульсного - еще меньше), что не препятствует передаче через него на этой частоте энергии.

Разделительных конденсаторов 7 и 7' в самом простом варианте должно быть по одному на каждый соединяющий выпрямитель 5 и выходной каскад 2 импульсного преобразователя напряжения (источника питания) 1 проводник, но для повышения надежности схемы каждый конденсатор 7 и 7' может быть выполнен в виде двух и более соединенных последовательно конденсаторов с высоким пробивным напряжением. Полезная нагрузка 8 подключена к выпрямителю 5 через две или более разделительные индуктивности 9 и 9', являющиеся частью выходного сглаживающего фильтра 6 и изолирующие полезную нагрузку 8 от импульсных токов собственных частот импульсного источника питания. Например, на частоте 500000 Гц индуктивность 10 мГн имеет реактивное сопротивление для синусоидальных токов 31416 Ом. При подведенному к ней напряжению 300 B ток через нее не превысит 10 мА - допустимый ток.

Для импульсных токов сопротивление индуктивности 10 мГн на частоте 500000 Гц будет выше, чем 31416 Ом, так как амплитуда синусоидальной составляющей в импульсах всегда меньше амплитуды самих импульсов. В производстве контроллеров импульсных преобразователей существует тенденция к увеличению частоты преобразования. Современные контроллеры работают на частоте 1 МГц и выше, что позволяет дополнительно снизить величину индуктивностей 9 и 9'.

Отсутствие импульсного трансформатора у импульсных преобразователей напряжения (источников питания) 1 позволяет в широком диапазоне изменять их выходные напряжения и токи, что может быть использовано для преобразования энергии постоянного или переменного тока в энергию требуемого вида изменением широтно-импульсной модуляции импульсов ключевого каскада 2.

Реализацию изобретений рассмотрим на следующих примерах.

Пример 1. Импульсный источник питания на основе ШИМ-контроллера NCP1200.

Стандартную схему включения, рекомендуемую изготовителем, иллюстрирует фиг.3, а использование для этой схемы индуктивно-емкостной гальванической развязки - фиг.4.

Источник питания работает следующим образом: на дросселе L1 выделяются высоковольтные импульсы, которые заряжают конденсаторы С4 и С5. Во время заряда конденсаторов С4 и С5 в дросселях L2 и L3 накапливается энергия. В промежутках между импульсами конденсаторы С4, С5 и дроссели L2, L3 разряжаются, диод D2 (тот же выпрямитель 5) обеспечивает канал для протекания разрядного тока дросселей L2, L3.

Применение индуктивно-емкостной гальванической развязки позволяет при необходимости изменять выходное напряжение практически от нулевого до 15-20 В только заменой стабилитрона D8, для увеличения тока более 600 мА требуется лишь установить ключевой транзистор М1 на радиатор.

Испытания схемы фиг 4 показали увеличение КПД относительно схемы с традиционной трансформаторной развязкой на 5-10 процентов. Довольно высокие емкости конденсаторов С4 и С5 обусловлены низкой частотой микросхемы NCP1200P60 - 60 кГц. Значения индуктивностей L2 и L3 меньше необходимых для изоляции выпрямителя 5 для токов с частотой 60 кГц от полезной нагрузки, но наличие сетевого фильтра EMI Filter на входе импульсного источника питания позволят их в данном случае применять, так как сетевой фильтр EMI Filter препятствует возникновению замкнутого контура для токов с частотами 60 кГц благодаря его индуктивностям (10-20 мГн). Вместо индуктивностей L2 и L3 для импульсного источника питания можно применять некоторые стандартные дроссели сетевых фильтров.

Выпрямитель 5 может быть выполнен с применением одного или нескольких диодов, их количество определяется типом ключевого каскада 2 импульсного преобразователя 1. Например, для мостового или полумостового ключевых каскадов 2 наилучшие результаты дает применение диодного моста из четырех диодов, для ключевого каскада на одном транзисторе достаточно одного диода, хотя и с диодным мостом схема работоспособна.

Несколько выходных напряжений импульсного источника питания получаются параллельным соединением нескольких выходных цепей 3 и 3' - см фиг.8 - иллюстрирует получение трех напряжений. Полярность напряжений зависит от соединения выходных цепей 3 и 3' к общему проводу - на фиг.8 нижняя выходная цепь 3 имеет инверсное относительно двух других цепей 3' напряжение. Напряжение и ток в выходных цепях 3 и 3' зависят от величин емкости их конденсаторов 7 и 7' и величин индуктивностей 9 и 9'.

Пример 2. Импульсный преобразователь на основе мостовой схемы с применением индуктивно-емкостной гальванической развязки - см. фиг.5.

Источник питания работает следующим образом: благодаря работе ключей импульсного преобразователя 1 напряжение, приложенное к конденсаторам 7 и 7' выходной цепи 3, меняется на противоположное с частотой работы импульсного преобразователя 1, что вызывает протекание через конденсаторы 7 и 7' зарядно-разрядных токов. Зарядно-разрядная цепь конденсаторов 7 и 7' включает дроссели 9 и 9' и полезную нагрузку 8. Выпрямитель 5 обеспечивает одинаковое направление тока через дроссели 9 и 9' и полезную нагрузку 8 во всех циклах заряда-разряда конденсаторов 7 и 7'.

Пример 3. Импульсный преобразователь на основе полумостовой схемы с применением индуктивно-емкостной гальванической развязки - см. фиг.6.

Принцип работы импульсного преобразователя основе полумостовой схемы с применением индуктивно-емкостной гальванической развязки аналогичен принципу работы импульсного преобразователя основе мостовой схемы.

Также возможны другие варианты реализации изобретений, иллюстрирующие индуктивно-емкостную гальваническую развязку, использующие существенные признаки вышеописанных технических решений с поправкой на их конструктивные особенности и специфику их использования.

В результате использования группы изобретений была решена техническая проблема гальванической развязки цепей полезной нагрузки импульсных источников питания, составной частью которых являются импульсные преобразователи напряжения, и/или импульсных преобразователей напряжения. Технические решения отличаются простотой, компактностью, надежностью и повышенным КПД, обеспечивают контролируемую передачу энергии от ключевого элемента импульсного источника питания и/или импульсного преобразователя напряжения в их выходные цепи и исключают возникновение выравнивающих и других, не определяемых параметрами конструкции импульсного источника питания и/или импульсного преобразователя напряжения электрических токов, способных повреждать компоненты цепи или поражать людей, прикасающихся к оборудованию, имеющему электрический контакт с полезной нагрузкой как для исправного, так и неисправного импульсного источника питания и/или импульсного преобразователя напряжения.

1. Выходная цепь импульсного преобразователя напряжения с ключевым каскадом, включающая устройство гальванической развязки с выпрямителем и сглаживающий фильтр, отличающаяся тем, что выпрямитель подключен к ключевому каскаду через две или более разделительных емкости, а полезная нагрузка подключена к выпрямителю через две или более разделительные индуктивности.

2. Выходная цепь по п.1, отличающаяся тем, что полезная нагрузка подключена к разделительным индуктивностям с использованием дополнительного сглаживающего фильтра.

3. Способ гальванической развязки выходной цепи импульсного преобразователя напряжения, заключающийся в подавлении не определяемых параметрами его конструкции протекающих через эту цепь токов при контролируемой передаче энергии от импульсного преобразователя напряжения в его выходную цепь, отличающийся тем, что подавление постоянного тока и токов промышленных частот осуществляют с использованием реактивных сопротивлений емкостного характера, а подавление токов собственных частот импульсного преобразователя напряжения осуществляют с использованием реактивных сопротивлений индуктивного характера.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что подавление не определяемых параметрами конструкции протекающих через выходную цепь токов осуществляется до уровней, не влияющих на работу импульсного преобразователя и самой выходной цепи и не вызывающих поражение людей, прикасающихся к полезной нагрузке или оборудованию, имеющему с ней электрический контакт.

5. Импульсный преобразователь, включающий источник постоянного напряжения, ключевой каскад и выходную цепь, отличающийся тем, что выходная цепь выполнена по п.1 или 2 с возможностью реализации способа по п.3 или 4.

6. Преобразователь по п.5, отличающийся тем, что он включает, по меньшей мере, одну дополнительную выходную цепь, выполненную по п.1 или 2, с возможностью реализации способа по п.3 или 4.

7. Импульсный источник питания, включающий сетевой выпрямитель, импульсный преобразователь, ключевой каскад и выходную цепь отличающийся тем, что выходная цепь выполнена по п.1 или 2 с возможностью реализации способа по п.3 или 4.

8. Источник питания по п.7, отличающийся тем, что он включает, по меньшей мере, одну дополнительную выходную цепь, выполненную по п.1 или 2, с возможностью реализации способа по п.3 или 4.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области силовой электроники. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для электропитания низкочастотной импульсной периодической нагрузки и позволяет получить технический результат - устранить модуляцию входного тока потребления от электросети и обеспечить высокий коэффициент мощности.

Изобретение относится к сокращению потребления электроэнергии. .

Изобретение относится к электротехнике, в частности к области силовой преобразовательной техники, и может быть использовано во вторичных источниках питания при необходимости обеспечения большой выходной мощности, высокой надежности, гальванической развязки, стабилизации и быстрого изменения выходного постоянного напряжения или тока в пределах от нуля до максимального значения.

Изобретение относится к схеме питания для подачи выходного сигнала на нагрузку и также относится к устройству, содержащему схему питания, к способу, компьютерному программному продукту и носителю для хранения компьютерного программного продукта.

Изобретение относится к адаптивной схеме для управления схемой преобразования, и также относится к схеме питания, содержащей адаптивную схему и схему преобразования, к устройству, содержащему схему питания, к способу и к компьютерному программному продукту.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах питания и распределения электрической энергии в качестве преобразователя источника эдс в источник тока, а также для регулирования и стабилизации тока нагрузки.

Изобретение относится к однотактным импульсным устройствам преобразования электрической энергии с трансформаторной нагрузкой

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано во вторичных источниках питания

Изобретение относится к области построения систем автоматического управления

Изобретение относится к устройствам преобразования электрической энергии и предназначено для использования в качестве вторичного источника питания электронных устройств или зарядного устройства

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в источниках вторичного электропитания устройств радиотехники, автоматики и вычислительной техники. Технический результат заключается в осуществлении высокого быстродействия и апериодического характера переходного процесса в преобразователе напряжения с широтно-импульсной модуляцией. Для этого в заявленном способе, основанном на широтно-импульсной модуляции напряжения питания ключевым элементом, вычисляют сигнал рассогласования, формируют пилообразный сигнал развертки с амплитудой, пропорциональный разности напряжений на индуктивности дросселя фильтра до и после коммутации ключевого элемента и смещенного на величину, пропорциональную напряжению на индуктивности дросселя фильтра после коммутации ключевого элемента, из суммы сигнала рассогласования и сигнала развертки формируют управляющий сигнал, переключение ключевого элемента осуществляют синхронизирующим и управляющим сигналами, а сигнал рассогласования формируют пропорциональным энергетическому балансу между текущим значением энергии, запасенной фильтром, и ее значением при заданном выходном напряжении. В заявленном устройстве содержится блок развертки, ключевой элемент, узел суммирования и RS-триггер, введены блок рассогласования и датчики тока. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к преобразовательной технике, в частности к преобразователям с высоким входным напряжением, преобразующим постоянное напряжение в постоянное и может быть использовано в системах электропитания устройств радиотехники, автоматики и вычислительной техники. Технический результат заключается в улучшении массогабаритных показателей преобразователя, увеличении его КПД, повышении надежности, а также в расширении области его применения. Для этого заявленное устройство состоит из схемы управления и силовой цепи, включающей в себя импульсный трансформатор, МДП-транзистор, два диода, дроссель и конденсатор фильтра, а также цепь из последовательно включенных размагничивающего резистора и дополнительного конденсатора, введены дополнительные дроссель и диод, при этом первичная обмотка импульсного трансформатора преобразователя через переход сток-исток МДП-транзистора подключена к входу преобразователя, а вторичная обмотка через диод и индуктивно-емкостной фильтр, подключена к выходу преобразователя, вторичная обмотка импульсного трансформатора шунтирована размагничивающей цепью, состоящей из последовательно соединенных резистора и конденсатора, и дополнительным дросселем, при этом резистор размагничивающей цепи шунтирован дополнительным диодом. 1 ил.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в системах электропитания радиолокационных станций, устройств радиотехники, автоматики и вычислительной техники. Техническим результатом является улучшение эксплуатационных характеристик преобразователя, снижение массогабаритных показателей, увеличение КПД, повышение надежности, а также расширение области его применения за счет исключения постоянной составляющей магнитного потока в силовом трансформаторе. Стабилизированный квазирезонансный преобразователь содержит два последовательно соединенных зарядных МДП-транзистора, два последовательно соединенных рекуперирующих диода, два последовательно соединенных конденсатора, последовательно соединенные резонансные конденсатор и дроссель, силовой трансформатор, два выпрямителя, два делителя напряжения, конденсатор фильтра, резистор нагрузки, модулирующий МДП-транзистор, два однотактных ШИМ-контроллера, два управляющих трансформатора, времязадающую «RC»-цепь, эмиттерный повторитель, две дифференцирующие «RC»-цепи. В него введены измерительная обмотка силового трансформатора, второй модулирующий МДП-транзистор, два однотактных ШИМ-контроллера, три времязадающие «RC»-цепи, две дифференцирующие «RC»-цепи, второй эмиттерный повторитель, два сумматора, интегратор, фильтр, генератор тактовых импульсов, триггер, два логических элемента «И» с соответствующими связями. 1ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в преобразователях постоянного напряжения в переменное - инвертора-хм и регулятора-хм напряжения автономных систем электропитания и электроприводов перспективных авиакосмических летательных аппаратов с преимущественно или полностью электрифицированным приводным оборудованием. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей - получение выходного напряжения с произвольно задаваемой периодически-непрерывной формой, в частности синусоидального. В способе импульсного преобразования постоянного напряжения энергию от источника питания постоянного тока непрерывно передают непосредственно подключенной к нему двухконденсаторной емкостной стойке. Путем импульсного управления двумя регулируемыми ключами на первом этапе каждого периода высокочастотного периодического процесса дозирования осуществляют накопление энергии в дозирующем дросселе, подключая его к одному из двух конденсаторов стойки через замкнутый один из двух регулирующих ключей при разомкнутом другом ключе. На втором этапе энергию, накопленную на первом этапе, передают в другой конденсатор стойки при разомкнутых состояниях обоих ключей от дозирующего дросселя через один из двух выпрямительных диодов. Энергию, накапливаемую в конденсаторах стойки и в дозирующем дросселе, и энергию источника питания непрерывно передают в нагрузку переменного тока по двунаправленной цепи между средними выводами источника питания и емкостной стойки, периодически изменяя величину и полярность напряжения нагрузки на чередующихся полупериодах низкочастотного периодического процесса. На этапах длительности каждого его периода при нарастании напряжения нагрузки энергию, накопленную в первом конденсаторе емкостной стойки и источника питания, дозированно передают во второй конденсатор и в нагрузку. На этапах длительности того же периода при спадании напряжения нагрузки или при его неизменности энергию из второго конденсатора стойки и источника питания дозированно передают в первый конденсатор и в нагрузку.2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления резонансным преобразователем мощности. Техническим результатом является уменьшение флуктуаций на выходе резонансного преобразователя мощности. В способе для управления переключающим устройством (260) резонансный контур (350) обеспечивают напряжением (Uwr) переключения для генерации резонансного тока (Ires), чтобы обеспечить необходимую выходную мощность (rP) на выходе резонансного преобразователя (100) мощности. Устройство приспособлено для выполнения способа для управления переключающим устройством. Кроме того, резонансный преобразователь мощности содержит управляющее устройство для выполнения способа управления. 3 н и 15 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к электропреобразовательной технике и может использоваться во вторичных источниках электропитания. Техническим результатом предлагаемого решения является снижение максимальных значений токов и установленной мощности силовых элементов преобразователя, повышение КПД и надежности преобразователя. Сущность способа заключается в том, что при формировании относительной длительности открытого и закрытого состояния силового электронного ключа открывание ключа производят в момент окончания размагничивания магнитопровода выходного трансформатора. Устройства, реализующие способ, содержат в тракте управления преобразователя слаботочный управляющий ключ, на управляемый вход которого подается дискретный сигнал обратной связи по току размагничивания сердечника выходного трансформатора непосредственно с первичной (по второму варианту - с размагничивающей) обмотки трансформатора, запрещающий открывание силового ключа до окончания размагничивания сердечника. 3 н.п. ф-лы, 2 ил.
Наверх