Преобразователь напряжения

.зя) Н 02 М 7/53 ГОСУДАРСТВЕННЫЙЙО ДЕЛАМ ИЗОБРЕОПИСАНК АВТОРСКОМ ОМИТЕТ СССР ИЙ И ОТКРЫТ ИЯьство СССР, поН 02 М 7/537,2. Авторсзаявке % 301 980,(54)(57) 1.ПРЯЖЕНИЯ,нагрузку и ое свиде3338, кл ИЕ ИЗОБРЕ У СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Московский ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетическиинститут(56) 1, Моин В; С., Лаптев Н, Н. Стабилизированные транзисторные преобразователи, М., "Энергия", 1972, с, 161,рис. 6-1,ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НА- содержащий силовой ключ,ндуктивного характера, магнитный реактор, конденсатор, коммутирующий и рекуперационный диоды, в котором первый вывод нагрузки соединен с первым зажимом источника питания, второй зажим которого через силовой управляемый ключ подключен к первой обмотке магнитного реактора, а через рекупераци- онный диод - к второй его обмотке, причем указанные обмотки включены последовательно-согласно, а их общая точка соединения через конденсатор подключена к второму зажиму источника питания, а через коммутирукщий диод - к его первому зажиму, о т л и.ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения быстродей-. ствия и уменьшения потерь энергии, второй вывод нагрузки подипдчен к коммутирующему диоду через первую обмотку магнитного реактора.с1014114 2. Преобразователь по и. 1, о т л и - ч а ю ш и й с я тем, что второй вывод нагрузки соединен с силовым управляэмым ключом непосредственно.3. Преобразователь по п. 1, о т л ич а ю ш и й с я тем, что второй вывод нагрузки соединен с силовым управпяемым ключом через часть витков первой обмо ки магнитного реактора. Изобретение относится к электротех нике и наибольшее применение может найти в транзисторных преобразователях.Известен преобразователь напряжения содержащий силовой управляемый ключ, 5 нагрузку индуктивного характера, шунтиро. ванную коммутирующим. диодом 1 ,Наиболее близким по технической суш ности к изобретению является преобраэоватепь напряжения, содержащий силовой управляемый кл",ч, нагрузку индуктивного характера, магштный реактор, конденсатор, коммутирующий и рекуперационный диоды, в котором первый вывод нагрузки соединен с первым зажимом источника 15 питачия, второй зажим которого через силовой управляемый ключ подкпючен" к перъой обмотке магнитного реактора, а через рекуперационный диод - к второй его обы" гкепричем указанные обмотки 20 вииочены последовательно-согласно, а их общая точка соединения через конденсатор подключена к второму зажиму источника питания, а через коммутируюшийдиод - к его первому зажиму 23, 25Недо-:та ком известного устройства является;.иэкое быстродействие и повышенные поте;,и энергии во время открытого состояния силового управляемогоключа, Низкое быстродействие обусловле но тем, что энергия в нагрузку индуктив-: ного характера начинает поступать не сразу по отпирании силового ключа, а спустя время, за которое ток первичной обмотки магнитного реактора дорастет до значения, превышаюшего ток нагрузи;и,замыкаюшийся через комьутируюший диод.Повышенные потери энергии связаны с вдм;, что пжаедовательно с выходной це,":ю снпобио управляемого кпча вклю 40 чена дополнитбцьная цепь в виде первичной, обмотки магнитного реактора, а энер 4, Преобразователь по п. 3, о т л ич а ю ш и й с я тем, что, с целью уменьшения потерь., в силовом управляемом ключе в моменты его включения между силовым управляемым ключом и перес вым зажимом источника питания включен вентильный элемент с падением напряжения в прямом направлении, большим, чем у коммутирующего диода,гия, передаваемая в реактор, рассеивается в вентильных элементах.Цель изобретения - повышение быстро,действия и уменьшение потерь энергии. Эта цель достигается тем, что в преобразователе напряжения, содержашем силовой управляемый ключ, нагрузку индук; тивного характера, магнитный реактор,конденсатор, коммутирующий и рекуперационный диоды, в котором первый выводнагрузки соединен с первым зажимом источника питания, второй зажим которогочерез силовой управляемый ключ подключен к первой обмотке магнитного реактора, а через рекуперационный диод - к второй его обмотке, причем укаэанные обмотки включены последовательно-согласно, а их обшая точка соединения черезконденсатор подиючены к второму зажиму источника питания, а через коммутирующий диод - к его первому зажиму,второй вывод нагрузки подключен к коммутируюшему диоду через первую обмотку магнитного реактора,При выполнении магнитного реакторана сердечнике с линейной петлей гистере.зиса второй вывод нагрузки соединен ссиловым управляемым ключом непосредственно.При выполнении магнитного реакторана сердечнике с нелинейной петлей гистереэиса второй вывод нщ руэки соединенс силовым управляемым ключом черезчасть витков первой обмотки магнитногореактора.Кроме тогос целью уменьшения поте 1 ь,в указанном ключе в моменты его выключения ме.ко силовым управляемым идъчом и первым зажимом источника питания включей вентильный элемент с падением напряжения в прямом направлениибольшим, чем. 7 кожа тируюшего диода,3. 1014На фиг, 1 и 2 схематически изображены варианты предлагаемого преобразователя напряжения.Преобразователь включает нагрузку 1индуктивного характера,первый зажим 2источника питания, первую 3 и вторую 4обмотки магнитного реактора 5, рекуперационный диод б, второй зажим 7 источника питания, конденсатор 8, коммутируюший;диод 9, силовой управляемый 1 Оключ 10, вентильный элемент 11.В схеме на фиг. 2 пеуеая обмотка 3магнитного реактора 5 выполнена с отводом от части витков.Нагрузка 1 индуктивного характера 1 зпервым выводом соединена с первыи зажимом 2 источника питанчя.Первая и вторая обмотки 3 и 4 магнитного реактора 5 соединены последовательно-согласно. Вывод второй обмотки 4 . 10магнитного реактора связан через рекуперапионный диод 6 с вторым зажимом7 источника питания. Между обшей точкой первой и второй .обмоток 3 и 4магнитного реактора 5 и вторым зажимом И7 источника питания включен конденсатор8. Второй вывод нагрузки 1 связан. с за 4жимом 2 источника питания через первуюобмотку 3 магнитного реактора 5 и коммутирующий диод 9, а также связан с Звпервым электродом выходной цепи силового управляемого ключа 10, второй электрод которой соединен с вторым зажимом7 источника питания,. В преобразователе напряжения, предФ ф 3ставленном на фиг. 1, связь второго вывода нагрузки 1 с упомянутым первымэлектродом выходной цепи силового управляемого ключа 10 непосредственная.В преобразователе напряжения, схемакоторого представлена на фиг. 2, связьвторого вывода нагрузки 1 с упомянутымпервым электродом выходной цепи силового управляемого ключа 10 осуществлена через часть витков первой обмотки.3магнитного реактора 5, а между силовым43ключом 10 и первым зажимом 2 источника питания включен вентильный элемент,11,Принцип действия преобразователя напряжения почти одинаков для схем ивфиг, 1 и 2, и поэтому он рассматривается применительно к схеме на фиг 1.Прн непроводящем состоянии силовогоключа 10 ток нагрузки 1 индуктивногохарактера эв счет накопленной энергии не ффпрекращается, а протекает через соединенные последовательно первую обмотку3 магнитного реактора 5 и хоммутирую 114 4ший диод 9, Конденсатор 8 заряжен донапряжения питания.При переходе силового ключа 10 впроводящее состояние нагрузка 1 практически сразу подключается к источникупитания, и в нее иэ источника начинаетпоступать энергия без какойлибо задержки.В начальный момент при отпиранииключа 10 его ток равен нулю, так какток через нагрузку мгновенно измениться не может и его величина равна току;протекающему по обмотке 3 реактора 5,Через силовой ключ 10 ток в нагрузке 1 начинает увеличиваться эа счет передачи в нее энергии из источника питания, а ток в обмотке 3 - уменьшатьсяза счет отдачи энергии, накопленной вмагнитном реакторе 5, в источник пита- .,ния. Поэтому ток силового ключа 10 нарастает практически линейно. По мереспада тока обмотки 3 уменьшается также прямой ток через коммутирукщий диод 9, затем ток через диод 9 изменяетнаправление и прекращается в моментвосстановления его вентнльных свойств.В укаэанный момент ток силового кл очв10 равен току нагрузки 1, сложенному самплитудным значением тока через коммутирующий диод 9 в обратном направлении,После эапнрвния коммутирующего диода 9. начинается разряд конденсатора 8черю первую обмотку 3 магнитного реактора 5 и силовой управляемый ключ10. Во время всего этого процесса наначалах обмоток магнитного реактора 5(показаны на фиг. 1 точками) положительная полярностьнапряжения, и поэтому рекуперацнонный диод 6 заперт. По мерервзояда конденсатора 8 возрастает токобмотки 3 и понижается потенциал на катоде диода 6, За.счет звпасаемой в реакторе 5 энергии (перекачиваемой из конденсатора 8) в конце пРоцесса разряда конденсатора Г возникает ЭЙС электромагнитной индукции на обмотках 3 и 4, и через рекуперационный диод 6, обмотки 4 н 3 и силовой ключ 10 протекает ток, обусловленный накопленной и реакторе 5 энергией.Накопленная в магнитном реакторе 5 энергия начинает выделяться в диоде 6 и в выходной цепи силового ключа 10. Однако процесс отдачи энергии происходит намного медленнее, чем процесс ее, накреняя в магнитном реакторе 5, так квк падение напряжения на диоде 6 и в выходной цепи силового ключа 10 намно 5 10143 го меньше напряжения питания, цо которого был заряжен конденсатор 8 перед началом процесса его разряда, Поэтому к моменту перехода силового управляемого ключа 10 из состояния высокой проводимости в состояние низкой энергия в реакторе 5 оказывается практически нерастраченной,При уменьшении тока силового ключа 10 во время его запирания ток нагрузки о 1, который практически не изменяется за короткое время запирания силового ключа 10, ответвляется в обмотку 3 магнит ного реактора 5 и через указанную обмотку начинает заряжать конденсатор 6, 1 выполняюший роль демпфирующего элемен. та, принимающего ток нагрузки и предотврашаюшего скачкообразное нарастание напряжения на запирающемся силовом управляемом ключе 10, При переключении тока нагрузки в обмотку 3 и нарастании тока обмотки 3 по мере снижения тока силового ключа 10 возникает и нарастает трансформируемый в обмотку 4 ток, которым также заряжается конденсатор 8, рВ процессе заряда конденсатора 8 на-. пряжение на нем а значит и на обмотке 4 магнитного реактора 5, включенной через ;рекуперационный диод 6 параллельно конденсатору 8, плавно нарастает. Соот- з ветственно плавно нарастает напряжение на силовом управляемом ключе 10, таккак Ф ф у =О +где О и О - напряжения на конденсатоКре 8 и силовом управляемом ключе 10;Ж. 4, - числа витков обмоток 3 и 4.40По мере увеличения напряжения на обмотке 4 ускоряется вывод иэ магнитного реактора 5 энергии, переданной в него из конденсатора 8 и сохраненной к.моменту задирания, что выражается в уменьшении45 положительной ичдукции магнитного поля. Рсст напряжэния на конденсаторе 8 происходиь до тех пор, пока не отпирается коммутирующий диод 9 и остаток накопленной в реакторе 5 энергии возвращается в источник питания. После отдачи энер 5 О гии и снижения положительной индукции магнитного поля в сердечнике магнитного реактора до нуля начинается новый процесс накопления энергии в сердечнике,Б.г но, индукцич теперь нарастает в отрицательном направлении (полярность на обмотках такоВа что плюс на концах Об моток). При этом накопленная в нагруэ 1. 4 6ке энергия частично "перелчивается" вреактор 5 и запасается в нем, а частично возвращается в источник питания, чтообусловлено протеканием тока по цепирекуперационный диод 6 - обмотка 4 коммутируюший диод 9- источник питания, По мере накопления энергии в сердечнике магнитного реактора 5 и ростаотрицательной МДС уменьшается ток обмотки 4, Когда ток спадает до нуля,запирается рекуперационный диод 6 и отдача энергии в источник питании прекращается,Усложненный вариант преобразователянапряжения, представленный на схеме нафиг. 2, позволяет применять для магнитного реактора 5 сердечники с нелинейнойпетлей гистерезиса, выполненные из дешевых марок феррита, например, 2000 НМ 1,Установленный .оком нагрузки 1, лротекаюшим по части 3-1 витков обмотки 3, в состояние отрицательной намагниченности сердечник магнитного реактора 5 при отпирании силового управляемого ключа 10 начинает перемагничиваться в положительном направлении. Это обусловдено тем, что к части 3-3 витков обмоки 3 магнитного реактора 5 через диод9, остающийся в состоянии высокой проводимости в течение некоторого времени,прикладывается напряжение питания, причем полярность этого напряжения такова,что "плюс" на начале обмотки 3,Если магнитный реактор 5 выполненна сердечнике с существенно нелинейнойпетлей гистерезиса, то за короткое время он переходит из состояния отрицательного насьпцения в ненасыщенный режим работыдля которого характерна близкая кнулю. напряженность магнитного поля всердечнике, а значит и близкое к нулюзначение МЙС в сердечнике. Тогдаточки 3 и 3 ,протекаюшие по частям3-1 и 3-2 первой обмотки 3 магнитногореактора 5, оказываются связанными соотношением Э ф 9 :3%,.Поскольку ток3-1 31 3-2 з.протекает через коммутирующий ди -од З в обратном направлении, последнийчерез время, за которое в его базе рассасывается накопленный заряд, переходитв состояние низкой проводимости (запи=рается). После этого начинается разрядуожденсатора 8 токомЗ, в процессе ко 3-Яфторого напряжение на этом конденсатореснижается по закону, близкому к линей "НОМУ,Сразу при отпирании ключа 10 датыциал второго вывода нагрузки 1 становит,Г Отоицательным эз счет трансформации9 10 значит снижает быстродействие. Включать силовой управляемый ключ 10 до завершения перехода тока нельзя так как в этом случае при отпирании ключа 10 его ток будет нарастать при полном напряжении питания на ключе, пока не восстановится высокое "обратное сопротивление вентильного элемента 11, что означает существенные перегрузки силового ключа 10 по току и соответствующие потери энергии. 14114 10Таким образом, исключение иэ контура тока нагрузки при включенном состоянии силового управляемого ключа полностью (в первом варианте) или частич но (во втором варианте) первой обмоткимагнитного реактора уМеньшает потери энергии, а также повышает быстродействие преобразователя напряжения, а подключение вентильного элемента (во вто 1 ф ром варианте) уменьшает потери при выключении силового управляемого ключаСоставитель А,нко Техред С,Мигун езневКорректо едактор Н. ЛазаЗаказ 3036/6 Тираж 685 ПрдписноеИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий5, Москва,.Ж, Раушская набд, 4/5 ППП Патеатф, г, Ужгород, ул. Проектная,.Дзятко