Устройство для резонансного заряда конденсатора

Авторы патента:

Смирнов Виктор Иванович (RU)

Доля Сергей Николаевич (RU)

H02M3/135 - с использованием только полупроводниковых приборов

Владельцы патента RU 2734903:

Объединенный Институт Ядерных Исследований (RU)

Устройство для резонансного заряда конденсатора относится к области электротехники и преобразовательной техники и может применяться для питания импульсных нагрузок. Изобретение решает техническую задачу заряда конденсатора до напряжения, в несколько раз превышающего напряжение источника питания, и сокращения времени заряда. Устройство включает источник питания, последовательно подключенный к нему транзистор, индуктивность и конденсатор. Параллельно конденсатору подключены перезарядная индуктивность и ограничивающий транзистор. Благодаря перезаряду конденсатора до напряжения противоположного знака, амплитуды тока заряда от цикла к циклу возрастают по величине и тем самым от цикла к циклу увеличивается энергия, передаваемая конденсатору, и сокращается время заряда конденсатора. 4 ил.

Область техники

Изобретение относится к области электротехники и преобразовательной техники и может применяться для питания импульсных нагрузок. Уровень техники

Известно устройство для заряда суперконденсаторных батарей, в котором реализован способ резонансного заряда («Устройство для зарядки суперконденсаторных батарей» RU 177140 U1 от 14.02.2017), упрощенная схема которого приведена на фиг. 1. Оно состоит из конденсатора источника питания 1, подключенных к нему транзистора 2 и 6, конденсатора 4, подключенных к нему транзисторов 5 и 7, между общими точками транзисторов 2, 6 и транзисторов 5, 7 подключена индуктивность 3. Первый цикл зарядки, (фиг. 2), происходит от конденсатора источника питания 1 по последовательной цепи транзистор 2, индуктивность 3, транзистор 6, конденсатор 4. До определенных величин емкости конденсатора 4 за первый цикл он теоретически может зарядиться до двойного напряжения источника питания. Каждый последующий цикл подзарядки конденсатора 4 происходит в два этапа: при подключении индуктивности 3 к конденсатору источника питания 1 через транзисторы 2, 7 в ней происходит накопление энергии, при переключении ее к конденсатору 4 через транзисторы 5,6 происходит его подзарядка. За несколько таких циклов напряжение на конденсаторе может в несколько раз превышать напряжение источника питания. Поэтому это устройство и принимается в качестве прототипа, хотя оно и несколько отличается схематически от предлагаемого устройства.

В прототипе за один цикл подзарядки в конденсатор передается фиксированная энергия, потому что амплитуда тока в индуктивности определяется только величиной напряжения на входном конденсаторе, что ограничивает амплитуду зарядного тока и увеличивает время заряда конденсатора. Кроме того отключение транзистора 2, через который передается энергия в индуктивность, происходит при максимальном токе, что приводит к повышенным потерям (жесткая коммутация транзисторов).

Сущность изобретения

Технической задачей изобретения является заряд конденсатора до напряжения в несколько раз превышающего напряжение источника питания и сокращение времени заряда. Для этого предлагается устройство для резонансного заряда конденсатора, включающее конденсатор источника питания, к которому подключены последовательно включенные транзистор, индуктивность и конденсатор, а параллельно с конденсатором включены последовательно соединенные перезарядная индуктивность и ограничивающий транзистор.

Описание фигур.

Фиг. 1. Упрощенная схема прототипа.

1 - конденсатор источника питания, 2, 5, 6, 7 - транзисторы, 3 - индуктивность, 4 - конденсатор.

Прототип (фиг. 1) состоит из конденсатора источника питания 1, к которому подключены последовательно включенные транзисторы 2 и 6, конденсатора 4, которому подключены последовательно включенные транзисторы 5 и 7, между общими точками транзисторов 2, 6 и транзисторов 5 и 7 подключена индуктивность 3.

Фиг. 2. Временные диаграммы токов и напряжений и токов прототипа.

i1 - ток через индуктивность, i2 - ток через конденсатор, Uc - напряжение на выходном конденсаторе

Принцип работы прототипа заключается в следующем (фиг. 2).

В интервале времени 0-t1 через последовательно включенные транзистор 2, индуктивность 3, транзистор 5 и конденсатор 4 протекает ток, который заряжает конденсатор 4 от нуля до некоторого напряжения. В интервале времени t1-t2 через последовательно включенные транзисторы 2, 7 и индуктивность 3 протекает ток, при этом в индуктивности 3 запасается энергия, которая в интервале времени t2-t3 подзаряжает конденсатор 4. Во времена третьего и последующих циклов величина передаваемой в конденсатор энергии не меняется.

Фиг. 3. Устройство для резонансного заряда конденсатора.

1 - конденсатор источника питания, 2 - транзистор, 3 - индуктивность, 4 - конденсатор, 8 - перезарядная индуктивность, 9 - ограничивающий транзистор, Un - напряжение источника питания.

Устройство для резонансного заряда конденсатора состоит из конденсатора источника питания 1, последовательно с которым включены транзистор 2, индуктивность 3, конденсатор 4, параллельно которому подключены перезарядная индуктивность 8 и ограничивающий транзистор 9.

Фиг. 4. Временные диаграммы напряжений и токов.

U1 - инапряжение управления транзистором 2, U2 - напряжение управления ограничивающим транзистором 9, i1 - ток, текущий через индуктивность 3, i2 - ток, текущий через перезарядную индуктивность 8, Uc - напряжение на конденсаторе 4.

Осуществление изобретения

Принцип работы устройства поясняется временными диаграммами (фиг. 4), на которых: U1 - напряжение управления транзистором 2, U2 - напряжение, i1 - ток, текущий через индуктивность 3, i2 - ток, текущий через перезарядную индуктивность 8, Uc - напряжение на конденсаторе 4. Первоначально напряжение на конденсаторе относительно «земли» равно нулю. В момент времени t=0 открываются транзистор 2 и ограничивающий транзистор 9, происходит первоначальный заряд конденсатора квазисинусоидальным импульсом тока по цепи 1, 2, 3, 4. Ток протекает и по цепи перезарядная индуктивность 8, ограничивающий транзистор 9, но он намного ниже зарядного тока через конденсатор 4, так как величина перезарядной индуктивности 8 в несколько раз больше чем индуктивности 3. После снижения зарядного тока до нуля и закрытия транзистора 2 (t1) (мягкая коммутация) положительно заряженный конденсатор 4 перезаряжается через перезарядную индуктивность 5 и ограничивающий транзистор 8 до отрицательного напряжения, более чем в два раза превышающего напряжение источника питания. Ограничивающий транзистор 8 постоянно открыт до заряда конденсатора 4 до заданного напряжения. В момент t2 открывается транзистор 2, напряжения источника питания и конденсатора складываются, импульс зарядного тока выше, соответственно выше и увеличение напряжения на конденсаторе при этом цикле. Второй цикл заканчивается в момент t4, при этом напряжение на конденсаторе 4 увеличится сравнению с первым циклом. После нескольких циклов заряд-перезаряд напряжение на конденсаторе в несколько раз превысит двойное напряжение источника питания. Когда оно достигнет заданного значения, ограничивающий транзистор 8 закрывается, последний цикл состоит только из интервала перезарядки конденсатора через источник питания (tn-tn+1). Заряженный конденсатор разряжается на физическую нагрузку.

Расчеты показывают, что при индуктивности 3 - L=0,004 Гн, перезарядной индуктивности 5 - L=0,025 Гн, конденсаторе 4 - С=6 мкФ после первого цикла напряжение на конденсаторе 4 превысит напряжение источника питания в 2,51 раза, через 5 циклов - в 10,2 раза, а через 10 циклов - в 20,6 раз (для прототипа через 5 циклов в 2,23 раза, через 10 циклов в 3,16 раза).

Таким образом, в каждый последующий цикл заряда конденсатора в него вводится большая энергия по сравнению с предыдущим циклом. Этот результат достигается за счет того, что параллельно конденсатору подключены перезарядная индуктивность и ограничивающий транзистор. Благодаря этому, после цикла заряда конденсатора, от конденсатора источника питания происходит резонансный перезаряд конденсатора от положительного напряжения до отрицательного без ввода энергии, а амплитуда зарядного тока каждого последующего цикла определяется суммой напряжений на конденсаторе источника питания и возрастающего от цикла к циклу напряжения на конденсаторе.

Литература.

1. Полезная модель к изобретению «Устройство для зарядки суперконденсаторных батарей» RU 177140 U1 от 14.02.2017.

Устройство для резонансного заряда конденсатора, включающее конденсатор источника питания, к которому подключены последовательно включенные транзистор, индуктивность и конденсатор, отличающееся тем, что параллельно с конденсатором включены последовательно соединенные перезарядная индуктивность и ограничивающий транзистор.

Похожие патенты:

Преобразователь мощности // 2679618

Использование: для создания преобразователя мощности. Сущность изобретения заключается в том, что преобразователь мощности содержит: два переключающих элемента, соединенных последовательно; обкладку положительного электрода, соединенную с клеммой высокого напряжения последовательного соединения двух переключающих элементов; обкладку отрицательного электрода, соединенную с клеммой низкого напряжения последовательного соединения двух переключающих элементов; обкладку в средней точке, соединенную со средней точкой последовательного соединения двух переключающих элементов; первый теплоотвод, обладающий электропроводностью, при этом первый теплоотвод, расположен напротив обкладки положительного электрода, с первым изолирующим слоем, расположенным между первым теплоотводом и обкладкой положительного электрода, и первый теплоотвод расположен напротив обкладки отрицательного электрода, с первым изолирующим слоем, расположенным между первым теплоотводом и обкладкой отрицательного электрода, при этом первый теплоотвод соединен с клеммой заземления, поддерживаемой с нулевым потенциалом; и второй теплоотвод, обладающий электропроводностью, при этом второй теплоотвод расположен напротив обкладки в средней точке со вторым изолирующим слоем, расположенным между вторым теплоотводом и обкладкой в средней точке, при этом второй теплоотвод изолирован от клеммы заземления.

Система преобразования энергии и способ преобразования энергии // 2676676

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока. Техническим результатом является повышение качества преобразования энергии.

Способ электропитания низковольтной нагрузки от аккумулятора и устройство для его осуществления // 2670102

Изобретение относится к области электротехники. Способ и устройство предназначены для электроснабжения преимущественно мобильных потребителей электроэнергии, применяющих в качестве первичного источника электричества электрохимические аккумуляторы.

Двухтактный обратноходовой преобразователь постоянного напряжения в постоянное // 2581600

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в источниках вторичного электропитания в качестве преобразователя постоянного напряжения в постоянное.

Способ управления ключевыми преобразователями постоянного напряжения в постоянное // 2565577

Изобретение относится к преобразовательной технике. Способ управления ключевыми преобразователями постоянного напряжения в постоянное, содержащими индуктивный элемент в выходном фильтре или в индуктивном накопителе энергии.

Способ генерации энергии и индуктивный генератор для его осуществления // 2558693

Изобретение относится к сильнотоковой импульсной технике и может быть использовано в качестве вторичного источника электрической мощности для питания нагрузок. Согласно изобретению, через последовательно включенные индуктивный накопитель энергии, первичный источник питания и коммутатор электрической цепи пропускают ток накачки индуктивного накопителя энергии и после достижения током накачки заданного значения размыкают общую цепь коммутатором, а энергию импульса экстратока размыкания выводят в нагрузку, причем для увеличения отношения энергии экстратока размыкания к энергии тока накачки первичным источником питания выполняют электрическую цепь, содержащую активное сопротивление и индуктивность накопителя с такими значениями номиналов, при которых длительность тока накачки меньше постоянной времени индуктивного накопителя на заданную величину.

Обратимый понижающий преобразователь постоянного напряжения // 2549194

Изобретение относится к системам электропитания, в частности электрическим преобразователям постоянного напряжения в постоянное напряжение заданного уровня, ограниченного верхним уровнем напряжения источника питания, и может быть использовано для электроснабжения активной нагрузки с возможностью рекуперации энергии от активной нагрузки в источник питания для его подзарядки в долевых режимах работы.

Высоковольтный преобразователь постоянного напряжения // 2543529

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах электрооборудования постоянного тока, например, для электровозов постоянного тока напряжением 3 кВ для питания от контактной сети с повышенным напряжением (12-24 кВ и т.д.).

Однотактный сдвоенный обратноходовой преобразователь с улучшенными динамическими свойствами // 2528565

Изобретение относится к области электротехнике и может быть использовано для управления быстродействующими сетевыми трансформаторными источниками питания с улучшенными динамическими свойствами.

Способ группового управления импульсными регуляторами напряжения (варианты) // 2403612

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для регулирования напряжения на нагрузках потребителей путем широтно-импульсной модуляции протекающих в них токов.