Обратноходовый преобразователь напряжения



Обратноходовый преобразователь напряжения
Обратноходовый преобразователь напряжения
Обратноходовый преобразователь напряжения

 


Владельцы патента RU 2537373:

Гончаров Александр Юрьевич (CZ)
Гончаров Михаил Юрьевич (RU)

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в импульсных источниках вторичного электропитания, а именно в обратноходовых преобразователях напряжения, в качестве схемы ограничения перенапряжения на силовом диоде, возникающего в процессе коммутации. Технический результат - повышение КПД преобразователя за счет уменьшения потерь в демпфирующих цепях и регенерации энергии, запасенной в демпфере, в нагрузку. Обратноходовый преобразователь напряжения, содержит: разделительный трансформатор, образующий первичную цепь, содержащую первичную обмотку трансформатора (Т1) и ключевой элемент (VT1) и вторичную цепь, содержащую вторичную обмотку трансформатора силовой диод (VD1), выходной конденсатор (Cout), нагрузку (Rn), демпфирующую цепь, состоящую из диода (VDsn), катодом подключенного к аноду силового диода (VD1), а анодом - к одному выводу резистора (Rsn), другим выводом резистор подключен к минусовой шине, конденсатор (Csn), одной обкладкой подключенный к катоду силового диода (VD1), а другой - между диодом (VDsn) и резистором (Rsn). Введение демпферной цепи, состоящей из незначительного количества пассивных компонентов, позволяет увеличить КПД преобразователя и уменьшить габариты. 3 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в импульсных источниках вторичного электропитания, а именно в обратноходовых преобразователях напряжения, в качестве схемы ограничения перенапряжения на силовом диоде во вторичной цепи, возникающего в процессе коммутации.

Уровень техники

В преобразователях напряжения силовым диодам на вторичной стороне, также как и ключевым элементам на первичной стороне, требуется демпфирующая цепь. Связано это с тем, что, как правило, причинами электрического повреждения силового диода являются:

- высокая скорость нарастания прямого тока du/dt при его включении;

- превышение максимального значения прямого тока;

- пробой структуры недопустимо большим обратным напряжением.

При высоких значениях du/dt возникает неравномерная концентрация носителей заряда в структуре силового диода и, как следствие этого, локальные перегревы с последующим повреждением структуры. Основной причиной высоких значений du/dt является малая индуктивность в контуре, содержащем источник прямого напряжения и включенный силовой диод. Для снижения значений du/dt последовательно с силовым диодом обычно включается индуктивность, которая ограничивает скорость нарастания тока.

Для уменьшения амплитудных значений напряжений, прилагаемых к силовому диоду при отключении цепи, используются соединенные последовательно резистор R и конденсатор С - так называемая RC-цепь, подключаемая параллельно силовому диоду.

Скорость нарастания обратного напряжения du/dt. Если фронт нарастания обратного напряжения на силовом диоде будет очень крутой (это характерно для цепей с индуктивным характером), то импульс обратного тока силового диода с учетом собственной емкости p-n-перехода Сбар будет равен

i = C б а р × d U C d t , ( 1 )

где d U C d t - скорость нарастания обратного напряжения.

Даже при сравнительно небольшой величине емкости p-n-перехода Сбар импульс тока может представлять собой опасность для полупроводниковой структуры, если второй сомножитель в выражении (1) будет достаточно большим.

Как правило, для защиты силовых диодов их шунтируют защитной RC-цепочкой (фиг.1), причем емкость С выбирают больше величины собственной емкости p-n-перехода. Тогда импульс обратного тока, в основном, будет проходить по защитной цепочке, не принося вреда самому силовому диоду.

Энергия, запасенная в конденсаторе демпфирующей цепи С, переводится в тепло, выделяемое на резисторе демпфирующей цепи R, причем мощность резистора R должна рассчитываться из условия, что через него текут токи заряда и разряда конденсатора демпфирующей цепи С.

Основная проблема данного решения состоит в том, что запасенная в конденсаторе демпфера энергия рассеивается на резисторе демпфера, приводя к его нагреву, снижает общий КПД импульсного преобразователя. Кроме того, при больших бросках тока мощность, рассеиваемая на резисторе, может достигать 2-3% от выходной мощности преобразователя (например, при выходной мощности 100 Вт мощность, рассеиваемая на резисторе демпфера, будет равна 2-3 Вт), что приводит к использованию мощного и соответственно более габаритного резистора.

Известно устройство (патент US5689409 «Switching power supply with snubber circuit», дата приоритета 27 июля 1994 г., МПК Н02М 1/34; Н02М 3/335), выбранное в качестве прототипа, в котором во время отключения транзистора Т1 конденсатор С2 заряжается через диод D3 и индуктивность L1, уменьшая выброс на диоде D1. В течение этого времени энергия выброса накапливается в конденсаторе С2. Индуктивность L1 ограничивает скорость нарастания тока. Для уменьшения высокочастотных колебаний параллельно индуктивности L1 добавлен резистор R3. В момент включения транзистора Т1 энергия выброса, накопленная в конденсаторе С2, через диод D2 предается в нагрузку.

Основным недостатком данного устройства является то, что в нем существуют паразитные токовые контуры, ухудшающие КПД преобразователя. Первый, образованный при разряде конденсатора демпфирующей цепи С2, через еще не закрывшийся диод D3 и индуктивность L1 во вторичную обмотку трансформатора W2. И второй при разряде выходного конденсатора С1 через еще не закрывшийся диод D2 и конденсатор С2 во вторичную обмотку трансформатора W2 в момент времени, когда конденсатор С2 еще не начал заряжаться через диод D3 и индуктивность L1 вследствие медленного нарастания тока через дроссель.

Известно устройство (заявка JP2002125370 «Snubber circuit», дата приоритета 17 октября 2000 г., МПК Н02М 3/28), в котором демпферная цепь работает следующим образом. Когда силовой ключ 8 замкнут, энергия, передаваемая во вторичную цепь, накапливается в конденсаторе 4 через индуктивность 3 и диод 6 и в конденсаторе 10 через индуктивность 3 и диоды 6 и 5. Когда же силовой ключ 8 выключен, энергия, запасенная в конденсаторе 4, через диод 5 передается в нагрузку.

Основным недостатком данного устройства является то, что в нем существуют паразитные токовые контуры, ухудшающие КПД преобразователя. Первый, образованный при разряде конденсатора демпфирующей цепи 1, через еще не закрывшийся диод 6 и индуктивность 3 во вторичную обмотку трансформатора 7. И второй при разряде выходного конденсатора 10 через еще не закрывшийся диод 5 и конденсатор 1 во вторичную обмотку трансформатора 7 в момент времени, когда конденсатор 1 еще не начал заряжаться через диод 6 и индуктивность 3, вследствие медленного нарастания тока через дроссель.

Кроме наличия паразитных токовых контуров, еще одним общим недостатком, присущим описанным выше устройствам, является наличие достаточно габаритного элемента - дросселя, у которого габариты, складывающиеся из величины сердечника и диаметра провода, напрямую зависят от максимального значения протекающего через него тока. Соответственно, при больших значениях тока увеличатся габариты дросселя и, как следствие, могут увеличиться габариты преобразователя напряжения.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 изображен известный способ уменьшения скорости нарастания обратного напряжения на силовом диоде.

На фиг.2 изображен обратноходовый преобразователь напряжения с демпфирующей цепью.

На фиг.3 изображены осциллограммы обратноходового преобразователя напряжения:

луч 1 - напряжение на вторичной обмотке трансформатора Т1;

луч 2 - ток, протекающий через конденсатор Csn;

луч 3 - напряжение на резисторе Rsn.

Сущность изобретения

Цель - повышение КПД обратноходового преобразователя на 1-2% за счет регенерации в нагрузку энергии выброса индуктивности рассеяния вторичной обмотки, запасенной в конденсаторе демпфера силового диода с одновременным упрощением конструкции демпферной цепи и уменьшением ее габаритов.

Поставленная цель достигается за счет того, что обратноходовый преобразователь напряжения (фиг.2) содержит: разделительный трансформатор, образующий первичную цепь, содержащую первичную обмотку трансформатора Т1 и ключевой элемент VT1, и вторичную цепь, содержащую вторичную обмотку трансформатора Т1 силовой диод VD1, выходной конденсатор Cout, нагрузку Rn, демпфирующую цепь, состоящую из диода VDsn, катодом подключенного к аноду силового диода VD1, а анодом - к одному выводу резистора Rsn, другим выводом резистор подключен к минусовой шине, конденсатор Csn, одной обкладкой подключенный к катоду силового диода VD1, а другой - между диодом VDsn и резистором Rsn.

В отличие от схемы демпфера на фиг.1 в заявляемой схеме (фиг.2) токи разряда и заряда конденсатора демпфера Csn разделены, что приводит к уменьшению выделяемой мощности на резисторе демпфера Rsn.

Заявляемое устройство работает следующим образом:

В момент времени t0 (фиг.3) транзистор VT1 открывается. ЭДС самоиндукции индуктивности рассеяния вторичной обмотки трансформатора Т1 приводит к броску отрицательного напряжения на вторичной обмотке трансформатора Т1 (фиг.3, луч 1), который в течение времени t0-t1 заряжает конденсатор демпфера Csn по цепи Rn, Csn, VDsn. Форма тока, протекающая через Csn, приведена на фиг.3, луч 2, форма напряжения на резисторе Rsn приведена на фиг.3, луч 3. В момент времени t1-t2 силовой диод VD1 закрыт и конденсатор Csn сохраняет запасенную энергию.

В момент времени t2 транзистор VT1 закрывается. На выходе вторичной обмотки трансформатора Т1 напряжение меняет свою полярность, что приводит к открыванию силового диода VD 1, закрыванию диода VDsn и разряду конденсатора Csn по цепи Rn, Rsn. Энергия, запасенная в Csn, передается в нагрузку, что приводит к увеличению КПД преобразователя на 1-2%.

Бросок тока через конденсатор Csn в момент времени t2-t3 обусловлен временем обратного восстановления диода VDsn, что приводит к протеканию тока с вторичной обмотки трансформатора Т1 через обратно включенный диод VDsn, конденсатор Csn в нагрузку.

Цикл повторяется.

В результате проведенных экспериментов было установлено, что использование предлагаемой демпфирующей цепи позволяет повысить КПД преобразователя на 1-2%.

Преимуществом данного устройства является то, что энергия индуктивности рассеяния рекуперируется в энергию, запасенную в конденсаторе Csn, большая часть которой возвращается в нагрузку и незначительно выделяется в виде тепла на резисторе Rsn. Причем мощность резистора Rsn можно выбирать на порядок меньше, чем в обычной демпфирующей RC-цепи (фиг.1). Кроме того, введение данной демпферной цепи, состоящей из незначительного количества пассивных компонентов, позволяет не только увеличить КПД преобразователя, но и уменьшить габариты по сравнению с прототипом.

Обратноходовый преобразователь напряжения, содержащий первичную цепь, включающую первичную обмотку трансформатора и силовой ключ, и вторичную цепь, включающую вторичную обмотку трансформатора, силовой диод, выходной конденсатор и нагрузку, отличающийся тем, что вторичная цепь содержит демпфирующую цепь, состоящую из последовательно соединенных диода и резистора, включенных между концами вторичной обмотки трансформатора и конденсатора, включенного одним выводом между силовым диодом и выходным конденсатором, а другим - между диодом и резистором демпфирующей цепи.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в импульсных источниках вторичного электропитания (ИВЭ) в качестве схемы обеспечения работы нескольких ИВЭ, соединенных параллельно на общую нагрузку.

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.

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.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления резонансным преобразователем мощности. Техническим результатом является уменьшение флуктуаций на выходе резонансного преобразователя мощности.

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.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в системах электропитания радиолокационных станций, устройств радиотехники, автоматики и вычислительной техники.

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.

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в источниках вторичного электропитания устройств радиотехники, автоматики и вычислительной техники.

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

Изобретение относится к области построения систем автоматического управления. .

Изобретение относится к преобразовательной технике, в частности к высокочастотным преобразователям постоянного напряжения в постоянное напряжение повышенной мощности с гальванической развязкой цепей, и может быть использовано в электрических схемах источников питания постоянного тока различного назначения. Технический результат заключается в повышении КПД, позволяет обеспечить коммутацию транзисторов практически при нуле тока, тем самым многократно снизить динамические потери на транзисторах преобразователя. Для этого заявленное устройство содержит блок управления и трансформатор, первичная обмотка которого подключена в средние точки двух диагоналей транзисторного моста, каждая из которых образована двумя последовательно включенными транзисторами, а вторичная обмотка трансформатора подключена к нагрузке через выпрямительные диоды и выходной конденсатор, согласно заявленному решению он дополнительно содержит две транзисторные диагонали, каждая из которых состоит из двух транзисторов, и дополнительный трансформатор, первичная обмотка которого включена в средние точки дополнительных транзисторных диагоналей, а вторичная обмотка через дополнительные выпрямительные диоды подключена к выходному конденсатору и к нагрузке, при этом блок управления выполнен обеспечивающим формирование четырех последовательностей импульсов с частичным наложением во времени одного на два соседних импульса. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в повышении стабильности выходного напряжения на нагрузке в более широком диапазоне входных напряжений и температур окружающей среды, а также обеспечении защиты от тока короткого замыкания в нагрузке как полевого переключающего транзистора с каналом n-типа, так и источника постоянного напряжения. Для этого заявленное устройство содержит источник постоянного напряжения, стабилизатор напряжения, триггер Шмитта, интегрирующую RC-цепь, ключ, импульсный трансформатор, первый и второй дифференциальные компараторы напряжения (ДКН), выпрямитель и фильтр, подключенные к соответствующей нагрузке, первая и вторая параллельные RC-цепи, с первого по третий конденсаторы, с первого по шестой диоды, с первого по шестой резисторы и клемму напряжения ограничения, при этом ключ выполнен на логическом элементе НЕ, выход которого является входом ключа, а выход соединен с затвором переключающего МОП-транзистора с n-каналом, сток которого является первым выходом ключа, а исток - вторым выходом ключа, при этом импульсный трансформатор включает первичную обмотку, n первых вторичных обмоток, где n=1, 2…, и вторую вторичную обмотку. 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах управления электрическими дизель-генераторами, в частности, в управлении электромагнитным регулятором подачи топлива. Техническим результатом изобретения является повышение быстродействия и точности формирования тока за счет дополнения способа быстродействующей обратной связью в цепи регулирования тока. Технический результат достигается тем, что способ основан на методе с использованием частотно-импульсной модуляции сигнала управления инвертором, заключающийся в том, что измеряемое текущее значение стабилизируемого тока сравнивают усилителем рассогласования с заданной величиной требуемого тока, устанавливаемого микроконтроллером при помощи встроенного в него цифро-аналогового преобразователя, и устанавливают требуемую частоту следования импульсов при помощи генератора, управляемого усилителем рассогласования, для управления инвертором, при этом фиксируемая длительность импульса определяется формирователем импульса, который запускается в начале каждого периода частоты генератора.1ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для ограничения тока заряда конденсатора нагрузки, который, в частности, применяется для фильтрации выходного напряжения источника, предназначенного для питания различных потребителей постоянного тока. Технический результат заключается в уменьшении токовых нагрузок на питающий источник напряжения постоянного тока и на конденсатор нагрузки, что приводит к повышению надежности их работы. Устройство для ограничения тока заряда конденсатора нагрузки содержит источник напряжения постоянного тока, конденсатор нагрузки, ключ, пороговый элемент, компаратор, источник опорного напряжения, логический блок и блок управления, а также реактор и диод. 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к многоканальным преобразователям систем вторичного электропитания с трансформаторами постоянного напряжения (ТПН). Многоканальный ТПН содержит задающий генератор с парафазным выходом, двухтактный ключевой усилитель (КУМ), последовательный резонансный контур из конденсатора и дросселя, ТПН с n вторичными обмотками, n выпрямителями, n емкостными фильтрами и n ключевыми нормализаторами тока (КТН) с индивидуальной настройкой порога стабилизации выходного тока. Каждый КТН выполняется на основе однотактного последовательного ключевого усилителя, широтно-импульсного модулятора, источника опорного напряжения, индуктивного фильтра и датчика тока. Резонансная частота выбирается равной частоте переключений КУМ, параметры резонансных элементов выбираются на номинальную выходную мощность ТПН, а источник опорного напряжения и датчик тока каждого канала настраивают на уровень стабилизации выходного тока 1,2 от номинального тока канала. Техническим результатом является повышение энергетической эффективности, стабильности нагрузочных характеристик каналов вторичных напряжений с индивидуальной защитой каждого канала от перегрузки и расширение области применения. 4 ил.

Схемы (1) возбуждения для возбуждения схем нагрузки содержат схемы (21) трансформаторов с обмотками первичной стороны, которые соединены со схемами источников, и с первой и второй обмотками вторичной стороны, которые соединены с нагрузками (2, 3) схем нагрузки. Обеспечивая схемы (1) возбуждения схемами (22) определения для определения токов вторичной стороны как функций токов первичной стороны, напряжений первичной стороны, индуктивностей первичной стороны и коэффициентов трансформации, токи вторичной стороны могут быть определены исключительно на первичных сторонах схем (21) трансформаторов. Функции могут задавать, что токи вторичной стороны пропорциональны разностям между первыми сигналами, пропорциональными интегралам напряжений первичной стороны, поделенным на индуктивности первичной стороны, и вторыми сигналами, пропорциональными токам первичной стороны, причем упомянутые разности умножаются на коэффициенты трансформации. Токи вторичной стороны могут быть сбалансированы через индуктивно связанные индукционные катушки. Технический результат - возможность определять ток вторичной стороны схемы трансформатора на первичной стороне без необходимости в схемах синхронизации и моделирования. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 17 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в источниках вторичного электропитания с бестрансформаторным входом, используемых в устройствах питания силовой электроники. Техническим результатом является повышение коэффициента полезного действия, надежности и долговечности преобразователя. Корректор коэффициента мощности содержит входной выпрямитель, выходной конденсатор, диод, схему заряда выходного конденсатора, вход которой соединен с выходами входного выпрямителя, а выход - с выходным конденсатором. Входной выпрямитель, диод и выходной конденсатор образуют замкнутый контур цепи. Диод включен между входным выпрямителем и выходным конденсатором встречно по отношению к полярности входного выпрямителя, а выход корректора подключен параллельно входному выпрямителю. В рабочем режиме напряжение на выходном конденсаторе меньше пикового напряжения входного выпрямителя. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для преобразования и регулирования энергии, потребляемой от источника постоянного тока, и передачи преобразованной энергии ее приемнику с использованием трансформаторной связи между цепями источника и приемника энергии. В способе управления преобразователем напряжения формируют две последовательности парафазных импульсных сигналов - первую и вторую, причем вторую последовательность парафазных импульсных сигналов сдвигают относительно первой последовательности на регулируемое время. Управление первым и вторым транзисторами осуществляют парафазными импульсными сигналами первой их последовательности, а управление третьим и четвертым транзисторами - парафазными импульсными сигналами второй их последовательности. 8 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть применено для электропитания потребителей, получающих входное напряжение питания в широком диапазоне, в частности для технических средств охраны в системах охранной тревожной сигнализации, и позволяет получить технический результат - повысить надежность работы за счет упрощенной схемы управления. Импульсный преобразователь напряжения состоит из сетевого фильтра, сетевого выпрямителя, импульсного трансформатора, выпрямителя напряжения, фильтра, силового элемента, оптронной пары. Технический результат достигается за счет применения оптопары путём обеспечения точности значения выходного напряжения при любом значении тока нагрузки. 1 ил.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в системах электропитания устройств радиотехники, автоматики и вычислительной техники. Техническим результатом является то, что повышается устойчивость и быстродействие однотактного прямоходового преобразователя, в котором переключение транзистора происходит при нулевом (минимальном) значении тока в ходе квазирезонансного колебательного процесса на силовых элементах. Технический результат достигается за счет того, что на вывод ШИМ-контроллера, предназначенный для контроля уровня тока, подается сигнал, равный разности токов первичной и вторичной обмоток трансформатора, таким образом формируется внутренний токовый контур регулирования в дополнение к основному контуру стабилизации выходного напряжения. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.
Наверх