Конвертер постоянного напряжения


 


Владельцы патента RU 2476979:

Грошев Владимир Яковлевич (RU)

Областью применения изобретения является создание вторичных источников питания и зарядных устройств. Технический результат -уменьшение объема конвертера постоянного напряжения за счет снижения мощности, рассеиваемой на элементах ограничения выброса напряжения, возникающего на первичной обмотке трансформатора при размыкании коммутирующего ключа. Конвертер постоянного напряжения содержит коммутирующий блок (1), нагрузочный трансформатор (2), ограничитель выброса напряжения (3), дополнительную обмотку (4), диод (5) и конденсатор (6). Энергия, запасенная в индуктивности рассеяния трансформатора (2), заряжает конденсатор (6) выпрямителя, подключенного к дополнительной обмотке, имеющей максимально возможную индуктивную связь с первичной обмоткой трансформатора (2). Для обеспечения такой связи дополнительная обмотка 4 наматывается между слоями или размещается между витками первичной обмотки трансформатора (2). Разряд конденсатора (6) осуществляется током заряда индуктивности первичной обмотки в каждом последующем цикле. Вследствие этого мощность, выделяющаяся на элементах ограничителя выброса напряжения (3), оказывается значительно уменьшенной, а сам дополнительный выпрямитель, содержащий диод (5) и конденсатор (6), не потребляет выходной мощности. Это позволяет значительно уменьшить потери энергии и тепловыделение в первичной секции однотактных трансформаторных преобразователей напряжения постоянного тока, что в конечном итоге позволяет уменьшить их объем. 1 ил.

 

Изобретение относится к однотактным импульсным устройствам преобразования электрической энергии с трансформаторной нагрузкой. Областью применения изобретения является создание вторичных источников питания и зарядных устройств.

Известны аналогичные устройства - см., например, [1].

Недостатком известных устройств является большая мощность, рассеиваемая на элементах подавления выброса напряжения, возникающего на первичной обмотке трансформатора при размыкании коммутирующего ключа. Известны два основных схемотехнических приема подавления таких выбросов, которые показаны на фиг.7, фиг.8 упомянутого документа соответственно. В первом варианте уменьшение амплитуды выброса обеспечивается с помощью специального выпрямителя, включенного параллельно первичной обмотке трансформатора конвертера и нагруженного активным сопротивлением. Этот вариант представлен на фиг.7. Такой способ является достаточно экономичным лишь до тех пор, пока индуктивность рассеяния трансформатора с учетом других эффектов намного меньше индуктивности его первичной обмотки. Это объясняется тем, что при таких условиях для существенного уменьшения амплитуды выброса на коллекторе или стоке ключевого транзистора достаточно небольшой емкости на выходе ограничительного выпрямителя и эта емкость в значительной степени успевает разрядиться через высокоомный нагрузочный резистор за время одного такта работы конвертера. При этом, невзирая на то, что по окончании выброса к разрядному резистору приложено все напряжение первичной обмотки трансформатора, мощность, рассеиваемая на этом резисторе, оказывается незначительной при достаточно эффективном ограничении выброса.

Однако если ставится задача минимизировать объем конвертера, то приходится по возможности уменьшать и объем трансформатора. При этом необходимая выходная мощность конвертера обеспечивается за счет увеличения немагнитного зазора трансформатора, а это, в свою очередь, приводит к значительному ухудшению соотношения между индуктивностью первичной обмотки трансформатора и индуктивностью рассеяния. В результате мощность, запасаемая в индуктивности рассеяния, может достигать 5-10% от выходной мощности конвертера. Естественно, что при этом приходится увеличивать емкость ограничительного выпрямителя для предотвращения роста амплитуды выброса на коллекторе (стоке) ключевого транзистора и соответственно уменьшать сопротивление разрядного резистора, который вследствие этого начинает расходовать заметную полезную мощность от первичной обмотки. При этом общая мощность, рассеиваемая на этом резисторе, может превышать 10% от выходной мощности конвертера, что не только ухудшает КПД, но и приводит к дополнительному нагреву и увеличению габаритов устройства.

Другой известный вариант ограничения выбросов представлен на фиг.8 упомянутого документа. Этот способ сводится к использованию полупроводникового ограничителя, включаемого параллельно первичной обмотке трансформатора. Положительным эффектом от использования такого технического решения является отсутствие тока через схему ограничения после окончания выброса, поскольку напряжение ограничения всегда может быть выбрано меньше напряжения выброса на индуктивности рассеяния, но больше рабочего напряжения на обмотке.

Однако и в этом случае мощность, выделяемая на элементах ограничения, при большой индуктивности рассеяния слишком велика, поскольку, например, в случае использования трансформатора с индуктивностью рассеяния, составляющей 7% от индуктивности первичной обмотки, при выходной мощности конвертера 30 Вт мощность, выделяющаяся на элементах ограничения выброса, составит примерно 2 Вт. И вся эта мощность рассеивается на элементах ограничителя, существенно снижая КПД конвертера и способствуя повышению его рабочей температуры. В результате приходится либо уменьшать выходную мощность, либо увеличить объем конвертера для обеспечения нормального теплового режима.

Следует отметить, что если в конвертере ограничитель выбросов вообще отсутствует, то и в этом случае вся энергия, запасенная в индуктивности рассеяния, прямо или косвенно превращается в тепло, рассеиваясь в трансформаторе и корпусе ключевого транзистора.

Следовательно, при решении задач минимизации объема любого однотактного конвертера с трансформаторной нагрузкой и при использовании любых способов ограничения напряжения на первичной обмотке необходимо уменьшать мощность, запасаемую в индуктивности рассеяния.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является конвертер, представленный на фиг.8 [1].

Это устройство содержит коммутирующий блок с нагрузочным трансформатором и ограничитель выброса напряжения, включенный между положительной шиной первичного источника питания и выходом коммутирующего блока. Ограничитель напряжения выброса напряжения содержит последовательно включенные между выводами первичной обмотки трансформатора диод и стабилитрон.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение объема конвертера постоянного напряжения за счет снижения мощности, рассеиваемой на его элементах.

С этой целью в конвертер постоянного напряжения, содержащий коммутирующий блок с нагрузочным трансформатором и ограничитель выброса напряжения, включенный между положительной шиной первичного источника питания и выходом коммутирующего блока, введены дополнительно обмотка, размещенная между слоями или витками первичной обмотки трансформатора, включенная согласно и последовательно с ней со стороны, противоположной соединению первичной обмотки с коммутирующим блоком, а также диод и конденсатор, причем анод диода соединен с первым выводом конденсатора и подключен к шине первичного источника питания, его катод подключен к свободному выводу дополнительной обмотки, а второй вывод конденсатора подключен к точке соединения первичной обмотки трансформатора с дополнительной обмоткой.

Функциональная схема предлагаемого устройства представлена на фиг.1.

Устройство содержит коммутирующий блок 1, нагрузочный трансформатор 2, ограничитель выброса напряжения 3, дополнительную обмотку 4, диод 5 и конденсатор 6.

Устройство работает следующим образом. Известно, что первичная и выходная обмотки любого трансформатора с целью обеспечения достаточной электропрочности и просто из конструктивных соображений всегда размещаются на некотором расстоянии друг от друга. Причем под расстоянием подразумевается не толщина изоляции, а промежуток между средними линиями обмоток, имеющими обычно достаточно большую толщину. Вследствие этого часть магнитного потока, возбуждаемого первичной обмоткой, замыкается по воздуху внутри вторичной обмотки, минуя сердечник трансформатора и не создавая никакой ЭДС во вторичной обмотке.

В результате выпрямитель, подключенный к выходной обмотке конвертера и ограничивающий напряжение на вторичной и первичной обмотках в соответствии с соотношением числа витков в обеих обмотках, не может ограничивать напряжение на первичной обмотке трансформатора, возникающее за счет той части магнитного потока, который замыкается вне сердечника. Эта часть магнитного потока соответствует индуктивности рассеяния и содержащаяся в ней энергия расходуется первичной обмоткой на образование выброса напряжения. Кроме этого, причиной возникновения выброса является наличие паразитных индуктивностей в цепях, соединяющих выходную обмотку трансформатора с конденсатором фильтра, включая индуктивность выпрямительного диода, влияние которых наиболее существенно при больших выходных токах конвертера.

Следовательно, поскольку выброс напряжения возникает в результате неэффективности выходного выпрямителя вследствие пространственного разноса первичной и вторичной обмоток, для уменьшения влияния индуктивности рассеяния предлагается использовать дополнительный выпрямитель, нагруженный на обмотку, ток через которую невелик и которая имеет максимально сильную связь с первичной обмоткой трансформатора 2. Такую связь можно обеспечить, поместив дополнительную обмотку 4 максимально близко к первичной, например, между слоями первичной обмотки или намотав первичную и дополнительную обмотки в два провода. При этом дополнительная обмотка 4 может иметь очень малый объем, поскольку передаваемая ею энергия и, соответственно, средняя величина тока настолько же отличаются от этих показателей для первичной обмотки, насколько индуктивность рассеяния меньше индуктивности первичной обмотки. Малый объем дополнительной обмотки 4 практически не уменьшает габаритную мощность и практически не усложняет конструкцию трансформатора 2, у которого появляется единственный дополнительный вывод.

При этом выпрямитель, подключенный к дополнительной обмотке (диод 5 и конденсатор 6), является намного более эффективным, поскольку может замыкать на емкость значительно большую часть энергии магнитного поля, созданную первичной обмоткой, а паразитные индуктивности соединительных проводников ввиду малости выпрямляемого тока для этого выпрямителя совершенно несущественны. Причем поскольку этот выпрямитель нагружен на емкость, много меньшую, нежели основной выпрямитель конвертера и не имеет активной нагрузки, он оказывается эффективным только тогда, когда неэффективен основной выпрямитель, т.е. при разряде энергии, содержащейся в индуктивности рассеяния. Соответственно он не потребляет никакой части выходной мощности.

Полностью подавить выброс напряжения на первичной обмотке трансформатора с помощью предлагаемого технического решения удалось бы, видимо, только если первичная обмотка трансформатора и дополнительная обмотка 4 были бы целиком намотаны в два провода. Однако из-за необходимости обеспечения достаточной электропрочности изоляции между обеими обмотками объем первичной обмотки в таком случае существенно увеличился бы, что привело бы к уменьшению максимальной выходной мощности используемого трансформатора. Поэтому число витков дополнительной обмотки обычно составляет не более 20% от числа витков первичной обмотки, намотанных в один слой тонким проводом. Это упрощает конструкцию трансформатора и позволяет практически полностью сохранить его габаритную мощность. В таком случае остаточная мощность в выбросе обычно уменьшается в 4-8 раз и его можно ограничить любой известной схемой ограничения без существенного выделения тепла.

Однако конденсатор 6 дополнительного выпрямителя необходимо разряжать, иначе напряжение на нем через несколько тактов работы конвертера может сравняться с амплитудой выброса на индуктивности рассеяния без ограничения. Если для этой цели использовать резистор, то энергия, запасенная в индуктивности рассеяния, будет превращаться в тепло, что противоречит поставленной задаче. Кроме этого будет отбираться часть мощности от выходной обмотки. Поэтому предлагается осуществлять разряд емкости дополнительного выпрямителя непосредственно током заряда первичной обмотки трансформатора в каждом следующем такте преобразования, т.к. в таком случае исключаются активные потери энергии. Это возможно реализовать, если напряжение на конденсаторе 6 дополнительного выпрямителя будет суммироваться с напряжением первичного источника, и эта сумма будет питающей для первичной обмотки трансформатора конвертера. Именно так функционирует заявляемое устройство.

При замыкании ключевого элемента в коммутирующем блоке 1 ток заряда первичной обмотки трансформатора 2 проходит через конденсатор 6. При этом на верхнем по схеме выводе дополнительной обмотки 4 потенциал положителен, диод 5 заперт и все дополнительные элементы не оказывают никакого влияния на работу конвертера. После размыкания ключа напряжение на первичной обмотке меняется на обратное, при этом верхний по схеме вывод дополнительной обмотки 4 оказывается соединенным через диод 5 с шиной первичного источника питания, а конденсатор 6 с другого конца этой обмотки заряжается положительным напряжением, причем из-за сильной связи между первичной и дополнительной обмоткой 4 значительная часть магнитной энергии, не поступающая к выходной обмотке, замыкается в этом конденсаторе. Оставшаяся часть энергии превращается в выброс напряжения на первичной обмотке, мощность которого значительно уменьшена.

После окончания такта разряда индуктивности первичной обмотки напряжение на конденсаторе 6 имеет такую полярность, что суммируется с напряжением первичного источника. При этом в момент замыкания ключа коммутирующего блока 1 к первичной обмотке приложено напряжение, большее напряжения первичного питания. Из-за протекающего тока заряда первичной обмотки конденсатор 6 разряжается, а запасенная в нем энергия преобразуется в дополнительную энергию магнитного поля. В результате к моменту размыкания ключа коммутирующего блока 1 конденсатор 6 оказывается разряженным и готовым к следующему циклу преобразования энергии, запасенной в индуктивности рассеяния. В случае если емкость конденсатора 6 невелика и напряжение на нем за период замкнутого состояния ключа меняется на противоположное, этот конденсатор может быть зашунтирован диодом, подключенным анодом к положительной шине первичного источника.

При использовании предлагаемого технического решения для ограничения остаточного выброса напряжения можно воспользоваться любой известной схемой, в том числе показанными на фиг.7 и 8 документа [1].

Источники информации

1. Power Integrations. TOP221-227. Datasheet, (www.datasheetcatalog.com)

Конвертер постоянного напряжения, содержащий коммутирующий блок с нагрузочным трансформатором и ограничитель выброса напряжения, включенный между положительной шиной первичного источника питания и выходом коммутирующего блока, отличающийся тем, что в него введены дополнительно обмотка, размещенная между слоями или витками первичной обмотки трансформатора, включенная согласно и последовательно с ней со стороны, противоположной соединению первичной обмотки с коммутирующим блоком, а также диод и конденсатор, причем анод диода соединен с первым выводом конденсатора и подключен к шине первичного источника питания, его катод подключен к свободному выводу дополнительной обмотки, а второй вывод конденсатора подключен к точке соединения первичной обмотки трансформатора с дополнительной обмоткой.



 

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 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.

Изобретение относится к области электротехники. Магнитный интегральный симметричный конвертер с интегральной функцией трансформатора и индуктора включает в себя: интегральный магнитный элемент, имеющий магнитный сердечник с тремя магнитными колоннами, включающий в себя, по меньшей мере, три обмотки (Np, NS1, NS2) и, по меньшей мере, один воздушный зазор для накопления энергии, где первичная (Np) обмотка и первая вторичная (NS1) обмотка - обе намотаны вокруг первой магнитной колонны или обе намотаны вокруг второй магнитной колонны и третьей магнитной колонны, а вторая вторичная обмотка (NS2) намотана вокруг второй магнитной колонны, и полный выходной ток течет по второй вторичной обмотке (NS2); симметрично работающая инвертирующая схема с двумя выводами, воздействующая на первичную обмотку (Np); и группа синхронных выпрямителей (SR1, SR2), управляющие сигналы электродов затвора которых и управляющие сигналы электродов затвора группы диодов переключателя электропитания (S1, S2) симметрично работающей инвертирующей схемы с двумя выводами дополняют друг друга. Магнитный интегральный симметричный конвертер может снижать потери на обмотки и индуктивность рассеяния стороны первичной обмотки и стороны вторичной обмотки с достижением таким образом технического результата - высокоэффективного преобразования энергии. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 12 ил.
Наверх