Инвертирующий преобразователь постоянного напряжения накопительного типа

Изобретение относится к области электротехники, в частности к системам электроснабжения на основе инвертирующего преобразователя постоянного напряжения накопительного типа, содержащего индуктивности, емкости, управляемые ключи и диоды. Сущность изобретения заключается в том, что к входным выводам преобразователя подключается дополнительная цепь, содержащая зарядный управляемый ключ, диод, индуктивность, емкость, разрядный управляемый ключ, выходную индуктивность и обратный диод. Технический результат заключается в улучшении функциональных возможностей преобразователя, в частности в уменьшении переменной составляющей в кривой выходного напряжения. 6 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к устройствам электропитания потребителей постоянным напряжением выше и ниже уровня напряжения источника постоянного тока. Предлагаемое устройство относится к преобразователям напряжения инвертирующего типа.

Схема преобразователя, выбранная в качестве аналога, представлена на фиг. 1 [1]. В данном преобразователе, который можно назвать накопительным, используется предварительное запасание электроэнергии в индуктивном элементе. Изменение выходного напряжения относительно напряжения источника обусловлено постоянством дозы энергии, передаваемой от источника к потребителю через преобразователь за такт его работы независимо от нагрузки, поэтому подобные устройства также называют преобразователями с дозированной передачей энергии.

Вследствие постоянства передаваемой мощности его внешняя характеристика в координатах «напряжение - ток», показанная толстой линией на фиг. 2, содержит гиперболический участок, отмеченный цифрой 1. При уменьшении нагрузки ниже определенной величины луч вольтамперной характеристики нагрузки, обозначенной цифрой 3, пересекает гиперболическую ветвь внешней характеристики в точке выше уровня напряжения источника U_И.

Этот преобразователь имеет единственный накопительный элемент в виде индуктивности. Его недостатком является зависимость характера работы от нагрузки, проявляющаяся в возможности функционирования в двух режимах - непрерывного и прерывистого тока индуктивности, где свойства преобразователя качественно различаются. При малых нагрузках преобразователь работает в прерывистом режиме, при этом его внешняя характеристика описывается гиперболой. При возрастании тока нагрузки выше граничного значения, обозначенного I_Г на фиг. 2, которому соответствует напряжение U_Г, ток индуктивности становится непрерывным. В этом режиме часть внешней характеристики, отмеченная цифрой 2, приобретает другую форму, не позволяющую получить ток нагрузки больше величины тока короткого замыкания I_К.

Этот недостаток отсутствует в схеме инвертирующего преобразователя постоянного напряжения, принимаемого в качестве прототипа [2], его схема представлена на фиг. 3. Недостаток аналога здесь устраняется техническим решением в виде дополнения схемы фиг. 1 выходным ключом S2, который обеспечивает работу преобразователя независимо от нагрузки только в режиме прерывистого тока, тем самым исключается непрерывный режим. Его внешняя характеристика во всем диапазоне изменения нагрузки имеет гиперболическую форму, показанную на фиг. 2 толстой линией 1 при I<I_Г и пунктирной линией 1 при I>I_Г, что позволяет получить ток нагрузки выше значения I_К.

Работа преобразователя по схеме фиг. 3 происходит в следующей последовательности. При замыкании ключа S1 в течение определенного интервала времени происходит нарастание тока индуктивности L до значения I, а ее энергия достигает величины W=LI²/2. При размыкании ключа S1 открывается диод VD1 и индуктивность передает энергию в емкость С1. При равенстве разрядного тока нулю диод закрывается, и емкость оказывается заряженной до напряжения U_И, при котором ее энергия W=C₁U_И²/2 равна энергии индуктивности W=LI²/2. Далее замыкается ключ S2, емкость разряжается на нагрузку, а когда напряжение емкости становится нулевым, ключ S2 размыкается, что означает завершение передачи дозы энергии в нагрузку. Далее начинается следующий рабочий интервал - замыкается ключ S1 и так далее.

В итоге за интервал работы Т доза энергии W передается от источника в нагрузку через два накопительных элемента, при этом изменение во времени энергетических переменных (тока индуктивности и напряжения емкости) носит прерывистый характер. Интервал повторяемости T тока индуктивности и напряжения емкости содержит участки заряда, разряда и паузы.

Достоинством этого преобразователя является возможность получения в соответствии с гиперболической внешней характеристикой не только больших значений напряжения при малых нагрузках, но и больших значений тока, превышающих значение тока I_К, при больших нагрузках. При этом ток нагрузки через источник напряжения не протекает, а замыкается через емкость.

Недостаток данного преобразователя заключается в высоком уровне переменной составляющей в кривой выходного напряжения преобразователя U_d, примерный вид которой при допущении разряда емкости по линейному закону показан на фиг. 4. Также к его недостаткам относится низкая надежность, вызванная тем, что отказ какого-либо элемента приводит к прекращению питания нагрузки, что недопустимо для ряда ответственных потребителей.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, что достигается подсоединением к преобразователю прототипа на фиг. 3 дополнительных элементов, в результате чего образуется схема, показанная на фиг. 5. Часть дополнительных элементов в виде схемы преобразователя прототипа, подсоединяется параллельно по входу и выходу предлагаемого преобразователя. Элементы параллельно включенных преобразователей с одинаковым функциональным назначением имеют равные параметры. Оба параллельно включенных преобразователя выполняют одни и те же функции по накоплению и передаче энергии. Их элементы повторяют в той же последовательности действия соответствующих элементов преобразователя фиг. 3, но со сдвигом цикла работы дополнительных элементов преобразователя на интервал T₁=T/2. К объединенному выходу параллельно включенных преобразователей подсоединяется выходная индуктивность L3 для суммирования токов разряда конденсаторов С1 и С2 и сглаживания тока нагрузки и обратный диод VD3 для замыкания тока выходной индуктивности L3 при размыкании ключей S2 и S4.

Напряжения U_C1 и U_C2 на емкостях С1 и С2 и выходное напряжение U_d предлагаемого преобразователя показаны на фиг. 6.

В результате заряды индуктивностей L1 и L2 и разряды емкостей С1 и С2 на выходную индуктивность L3 происходят поочередно, поэтому преобразователь на фиг. 5 является двухтактным, тогда как преобразователь на фиг. 3 относится к однотактным схемам. Интервал повторяемости Т₁ для преобразователя на фиг. 5, в два раза меньше интервала Т, а частота переменной составляющей в кривой напряжении U_d, соответственно, в два раза больше, чем в прототипе, поэтому его пульсации меньше. Выход из строя элемента одного из преобразователей не прерывает питания потребителя, так как оставшийся преобразователь продолжает функционировать в однотактном режиме.

Таким образом, предлагаемое техническое решение инвертирующего преобразователя постоянного напряжения накопительного типа достигает цели изобретения.

Список источников:

1. Электрические и электронные аппараты: Учебник для вузов / Под ред. Ю.К. Розанова. – М.: Информэлектро, 2001. Стр. 308, рис. 11.39.

2. Исхаков В.А. Инвертирующий преобразователь постоянного напряжения. Патент РФ на изобретение №2214673 С2. Опубл. 20.10.2003.

Инвертирующий преобразователь постоянного напряжения накопительного типа, имеющий два входных и два выходных вывода, содержащий первый зарядный управляемый ключ, один его вывод соединен с первым входным выводом, а второй с общей точкой первой индуктивности и первого диода, второй вывод первого диода соединен с общей точкой первой емкости и первого разрядного управляемого ключа, второй вывод первого разрядного управляемого ключа соединен с первым выходным выводом, вторые выводы входа, первой индуктивности, первой емкости и выхода соединены между собой, отличающийся тем, что к его схеме подсоединяются дополнительные элементы - второй зарядный управляемый ключ, второй диод, вторая индуктивность, вторая емкость, второй разрядный управляемый ключ, выходная индуктивность и обратный диод, причем один вывод второго зарядного управляемого ключа соединяется с первым входным выводом, а другой с общей точкой второй индуктивности и второго диода, второй вывод второго диода соединен с общей точкой второй емкости и второго разрядного управляемого ключа, второй вывод второго разрядного управляемого ключа соединен со вторым выводом первого разрядного управляемого ключа и с общей точкой выходной индуктивности и обратного диода, второй вывод выходной индуктивности соединен с первым выходным выводом, вторые выводы входа, второй индуктивности, второй емкости, обратного диода и выхода соединяются между собой.