Преобразователь постоянного напряжения

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЦЕО(ИХРЕСПУБЛИН 3(51) Н 02 335 р Н 02 М 7 53 ИЕ РЕТЕ ПСТВУ ПОСТОЯНосновчерезвходЕЛЬшийключмеждуюший диод орно-диодоединенным тором и ра итОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ К АВТОРСКОМУ СВИ(71) Московский ордена Ленинаи ордена Октябрьской Революцииэнергетический институт(56) 1. Моин В.С., Лаптев Н.Н,Стабилизированные транзисторныепреобразователи. М., Энергия,1972, с. 346, рис, 9-18 с,2. Авторское свидетельство СССР 936315, кл. Н 02 М 7/537, 1980.(54) (57) 1. ПРЕОБРАЗОВА НОТО НАПР ЯУ(ЕНИЯ, содерж ной.силовой управляемый цепь нагрузки включенны ными зажимами, коммутир цепи нагрузки, конденса ную цепь, образованную последовательно конденс П 9) 80 (1), А вязываюшим диодом, причем конденсатор соединен с первым электродомвыходной цепи основного силового управляемого ключа, а развяэывающийдиод - с вторым, магнитным реактор,первая обмотка которого через дополнительный ключ включена между средней точкой конденсаторно-диодной цепи и вторым электродом основногосилового управляемого ключа, цепьрекуперации энергии магнитного реактора, подключенную к приемнику энергии, цепь управления дополнительнымключом, о т л и ч а ю ш и й с ятем, что, с целью повышения КПДи надежности, в него введены блокирующий диод, включенный последовательно в цепь первой обмотки магиного реактора, и коммутирующая обмотка магнитного реактора, включеная между выходной цепью основногосилового управляемого ключа и коммутирующим диодом,2. Преобразователь по п. 1, о т личающий с ятем, чтомежду цепью нагрузки и выходной цепьюосновного силового управляемого ключа включена нторая обмотка магнитного реактора. 10722083, Преобразователь по и. 1, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что цепь рекуперации энергии магнитного реактора содержит рекуперационный диод, через который первая обмотка магнитного реактора подключена к первому входному зажиму.Изобретение относится к электротехнике и может найти применение н,силовой полупроводниковой преоб-разовательной технике.Известен преобраэонатель постоянного напряжения, содержащий силовойуправляемый ключ, йоследовательнос выходной цепью которого включенысоединенные параллельно нагрузкаиндуктивного характера и коммутирую 10щий диод, подклЮченные к первомувходному зажиму, а параллельно выходной цепи включена последовательная конденсаторно-диодная цепь,диод которой подключен к нторомувходному зажиму и шунтирован резистором 11.Недостаток известно"о преобразователя .заключается в потерях энерггии в силовом управляемом ключе 20из-эа протекания обратного тока коммутирующего диода через выходнуюцепь ключа, а также потери энергиии резисторе.Наиболее близким к изобретениюявляется преобразователь постоянногонапряжения, содержащий основной силовой управляемый ключ, через цепьнагрузки нключенный между входнымизажимами, коммутирующий диод цепинагрузки, конденсаторно-диодную цепь,образованную соединенными последовательно конденсатором и раэняэынающимдиодом, причем конденсатор соединенс первым электродом выходной цепиуказанного силового ключа, а развязывающий диод - с вторым, магнитныйреактор, первая обмотка которого через дополнительный ключ включенамежду средней точкой конденсаторнодиодной цепи и вторым электродом 40основного силового управляемого ключа, цепь рекуперации энергии магнитного реактора, подключенную к приемнику энергии, цепь управления дополнительным ключом 23. 45Недостаток прототипа состоит в том, что отсутствует ограничение обратного тока коммутирукщего диода цепи нагрузки, из-за чего при отпирании основного силового упранляемо 2го ключа возникает режим перегрузкиего по току и мощности, что снижаетКПД и надежность устройства.Цель изобретения - повыиение КПДи надежности устройства.Поставленная цель достигаетсятем, что в преобразонатель постоянного напряжения, содержащий основнойсиловой управляемый ключ, через цепьнагрузки включенный между входнымизажимами, коммутирующий диод цепинагрузки, конденсаторно-диодную цепь,образованную соединенными последовательно конденсатором и разняэываюдим диодом, причем конденсатор соединен с первым электродом выходкойцепи основного силового управляемогоключа, а развяэывающий диод - с вторым, магнитный реактор, первая обмотка которого через дополнительныйключ включена между средней точкойконденсаторно-диодной цепи и вторымэлектродом основного силового управляемого ключа, цепь рекуперацииэнергии магнитного реактора, подключенную к приемнику энергии, цепь управления дополнительным ключом, введены блокирующий диоч включенныйпоследовательно в цепь первой обмотки магнитного реактора, и коммутирующая обмотка магнитного реактора,нключенная между выходной цепью основного силового управляемого ключаи коммутирующим диодом.Дополнительное повышение КПДможет быть получено, если между це-".пью нагрузки и выходной цепью основного силового управляемого ключавключена вторая обмотка магнитногореактора,На чертеже принедена принципиальная схема преобразователя постоянного напряжения,Устройство включает нходные зажи"мы 1 и 2, нагрузку 3.1 индуктивного,характера, содержащую индуктивнуючасть 3.2 (дроссель) и энергопотребляющую (активную) часть 3.3, параллельно которой включен конденсатор 3.4 ныходногс фильтра, коммутирующий диод 4, оснонной силовой управляемый ключ 5, конденсатор б и1072208 развязывакщий диод 7 конденсаторнодиодной цепи, первую обмотку 8 магнитного реактора 9, дополнительныйключ 10, рекуперационный диод 11,блокирукщий диод 12, коммутирующуюобмотку 13 магнитного реактора,управлякщую цепь дополнительногоключа, содержащую управлякщую обмотку 14-1 магнитного реактора 9,токоограничивающий резистор 14-2,шунтйрующий диод 14-3, и вторую обмотку 15 магнитного реактора 9.К входным зажимам 1 и 2 подключен источник питания. Нагрузка 3.1индуктивного характера выполнена ввиде, соединенных последовательноиндуктивной части 3.2 (дросселя)и энергопотребляющей (активно) части 3.3 шунтированной конденсатором 34 выходного фильтра. Первыйвывод нагрузки подключен к первомувходному зажиму 1 устройства, а втогрой вывод нагрузки является одновременно выводом обмотки дросселя 3.2.К первому входному зажиму 1, крометого, подключен первый вывод коммутирующего диода 4.Иежду первым и вторым электродами выходной цепи основного силовогоуправляемого ключа 5 включена конденсаторно-диодная цепь, образованная соединенными последовательноконденсатором б и развязывакщим диодом 7. Конденсатор б подключен кпервому электроду выходной цепиосновного силового управляемого ключа 5, а диод 7 - к второму. Второйэлектрод выходной цепи основногосилового управляемого ключа 5 непосредственно соединен с вторым входным зажимом 2 устройства.Витки первой обмотки 8 магнитно.о реактора 9 и дополнительныйключ 10, соединенные последовательно, включены в цепь ограничения тока разряда конденсатора б, причемодин вывод первой обмотки 8 соединен с вторым электродом выходнойцепи основного силового управляемого ключа 5, а второй вывод через рекуперационный диод 11 подключен кпервому входному зажиму 1 устройства. При таком включении первой обмот.ки 8 она совместно с диодом 11 выполняет роль цепи рекуперацииэнергии магнитного реактора 9.Цепь ограничения тока разрядадемпфирукщего конденсатора б включает в себя блокирующий диод 12, включенный с укаэанными элементами последовательно. Эта цепь подключена ксредней точке конденсаторно-диоднойцепи 6-7,10 15 20 25 30 40 го реактора 9 возникает напряжение 45 50 60 б 5 Управлякщая цепь дополнительного управляемого ключа 10 выполнена в виде замкнутого контура 14, содержащего соединенные последовательно управляющую обмотку 14-1 магнитного реактора 9, токоограничивакщий резистор 14-2 и шунтирующлй диод 14-3.Возможен вариант устройства, в котором цепь ограничения тока разряда конденсатора б, включающая в себя соединенные последовательно витки первой обмотки 8 магнитного реактора 9, дополнительный ключ 10 и блокирующий диод 12 включена между точкой соединения обмотки дросселя 3.2 и активной части 3.3 нагрузки и средней точкой конденсаторнодиодной цепи 6-7. При этом управляю" щая цепь дополнительного ключа 10 выполнена в виде резистора, включенного между управляющим электродом ключа 10 и вторым выводом выходной цепи основного силового управляемого ключа 5 (показано пунктиром).Принцип действия устройства состоит в следующем.,Когда основной силовой управляемый ключ 5 заперт, ток обмотки дросселя 3.2 замыкается через обмотки 13и 15 магнитного реактора 9 и коммутирукщий Диод 4. При этом сердечникмагнитного реактора находится в состоянии насыщения (отрицательной намагниченности) и напряжение на егообмотке отсутствует, а в базе ком"мутирунщего диода 4 накоплен заряд,Конденсатор б заряжен до напряженияпитания.При отпирании основного силовогоуправляемого ключа 5 коммутирующийдиод 4 остается в состоянии высокойпроводимости вследствие накопленного заряда и напряжение источника питания прикладывается к обмотке 13.При этом на всех обмотках магнитно,положительной полярности на началах обмоток.Возникшее напряжение на управляющей обмотке 14-1 вызывает отпирание дополнительного ключа 10. Однако,если число витков первой обмотки 8выбрано соответствующим образом(равным или большим числа витковобмотки 13), блокирукщий диод 12 оказывается под обратным смещение иток разряда конденсатора б по последовательной цепи 8-10-12-б-8 незамыкается. Конденсатор б при этом сохраняет свой заряд. Положительная полярность напряжения на началах обмоток магнитного реактора 9 означает, что его сердечник начинает перемагничиваться в положительном направлении. Тогда между токами обмоток 13, 15 и 14-1 устанавливается следукщая связь:3 д -Э 1 Ч - э а =о,Ю13 4 4-1где Ф, и, Ю,и , - числа витковобмоток 15,3, 14-1 ю(тон нагруз-ки), которыйможно считатьнеизменным на 5время комму"тационных про.цессов 1ток коммутирующего диода 4, протекающий черезнего в обратном направлении; 15Э - ток управле 1 фния, задаваемый во входную цепь до- полнительного ключа 10.Третьим слагаемым н выражении (1)можно пренебречь в силу малости токауправления и, кроме того, есливыполнить магнитный реактор такимобразом, чтобы 9/,% . Это означает, что через коммутирующий диод 4 протекает обратный ток величиф,ной Э ч а через основной силовойь а 3зоуправляемый ключ 5 - ток 7 (+11ООграниченность этих токов обусловливает малые потери энергии во времяпроцесса коммутации диода 4 как вэтом диоде, так и н основном силовомуправляемом ключе 5.Во время коммутационного процессаэапирания диода 4 от источника питания потребляется дополнительная энер-гия, обусловленная протеканием обратного тока диода 4, Однако эта энер"гия не теряется бесполезно, а передается в дроссель 3.2 нагрузки, чтовызнано дополнительным напряжениемв цепи нагрузки, трансормируемымиэ обмотки 13 н обмотку 15,После эапирания коммутационногодиода 4 уменьшается напряжение наобмотках магнитного реактора 9 иотпирается блокирующий диод 12. 50Через него и дополнительный ключ 10,поддерживаемый в востоянии высокойпроводимости за счет напряжения науправляющей обмотке 14-1 к первойобмотке 8 магнитного реактора 9 55прикладывается напряжение заряженного конденсатора б. По замкнутойцепи 8-10-12-б-8 конденсатор б начинает разряжаться, а ток 1 азрядаустанавливается равным 360Вт.е. также ограниченным по абсолютной величине.При разряде конденсатора б накопленная в нем энергия передается 65 н дроссель 3,2, что вызвано дополнительным напряжением в цепи нагрузки, трансформируемым из обмотки 8 в обмотку 15.По мере разряда конденсатора б уменьшается напряжение на обмотке 8 и соответственно уменьшается управляющее напряжение на обмотке 14-1, Когда управляющее напряжение станетнедостаточным для поддержания дополнительного ключа 10 н состоянии высокой проводимости, последний регенератинно (из-за положительной обратной связи, осуществляемой цепью 14) перейдет в запертое состояние. Этопроисходит н момент, когда конденсатор б разряжается почти полностью. После запирания дополнительного ключа 10 на обмотках магнитного реактора 9 происходит изменение полнрности напряжения, которое растет до тех пор, пока не отпирается рекуперационный диод 11. При этом через обмотку 8 и диод 11 замыкается ток15величиной 3 . Протекание этого8тока означает, что энергия, котораябыла передана в дроссель 3.2 нагрузки 3.1 во время обратной пронодимости коммутирующего диода 4 и во время разряда конденсатора б, теперь возвращается в источник питания (рекуперируется). Во время процессарекуперации сердечник магнитного реактора 9, до этого перемагнитиншийся в положительном направлении, начинает возвращаться в исходное состояние отрицательной намагниченности. Это происходит за счет протекания тока 3 по обмотке 15. Когда сердечник йозвратится в состояние насыщения, напряжения на обмотках магнитного реактора 9 исчезнут, а энергия перестанет возвращаться н источник питания,При запирании основного силовогоуправляемого ключа 5 действием внешнего сигнала конденсатор б, разряженный вследствие описанного процесса, начинает заряжаться током Э . При этом напряжение между электродами выходной цепи основного силовогоуправляемого ключа 5 нарастает планно (замедленно), что обусловливает улучшение коммутационного процесса запирания и, как следствие, поныаение КПД и надежности устройства,Обмотка 8 может быть выполнена двухсекционной, причем в последовательную цепь, содержащую злементы 10-12, включена только часть виткон обмотки 8,управляющая токозадающая цепь 14 может быть ныполнена в виде единственного резистора, показанного на фиг. 1 пунктиром, что проще, но менее энергетически выгодно.Заказ 141/49 Тираж бб 7 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, П, Раушская наб., д. 4/5Филиал ППП Патент, г.ужгород, ул.Проектная, 4 В случае отсутствия обмотки 15сердечник магнитного реактора 9 должен обладать линейной магнитной характеристикой и дополнительная компонента тока основного силового управляемого ключа 5, обусловленная процессами эапирания коммутирующегодиода 4 и разряда конденсатора б,определяется индуктивностью обмотокмагнитного реактора 9.Для работы предлагаемого устрой-10ства конструкция цепи рекуперацииэнергии магнитного реактора 9 несуществена. В частности, использование первой обмотки 8 для рекупера"ции необязательно, а может быть введена отдельная рекуперационная об"мотка, если, например, передаватьэнергию в активную часть нагрузки 3.1, магнитно связанную с выходной цепью основного силового управляющего ключа 5,ФДля работы предлагаемого устройства несущественно также место включения нагрузки: она может быть расположена между вторым электродом выходной цепи основного управляемого силового ключа 5 и вторым входным зажимом 2 устройства, йричем первый входной зажим 1 соединен с первым электродом выходной цепи основного силового управлякшего ключа 5,По сравнению с прототипом предлагаемое устройство позволяет повысить КПД и надежность за счет,В ограничения обратного тока коммутирующего диода во время коммутации отпирания) основного силового управляемого ключа, разнесения во времени протекания обратного тока через коммутирующий диод и тока разряда конденсатора, иэ-эа чего снижаются потери энергии в основном силовом управляемом ключе, и воэможности передачи энергии, отбираемой от источника питания во время обратной проводимости коммутирующего диода, в источник питания или в нагрузку.