Преобразователь постоянного напряжения в постоянное

(51)5 Н 02 1 3 ОБРЕТЕЛЬСТВУ ОПИС И ГОСУДАРСТБЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР Н АВТОРСКОМУ СВИ(71) Истринский филиал Всесоюзного электротехнического института им, В,И,Ленина(56) Авторское свидетельство СССР У 995428, кл, Н 02 И 3/18, 1980.Авторское свидетельство СССР Р 1171923, кл. Н 02 И 3/18, 1982. (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ(57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве бестрансформаторного импульсного источника питания. Пель изобретения - повьшение КПД и снижение массогабаритных показателей, Устройство содержит четырехполюсник 5, включенный между входными 1, 2 и выходными 3; 4 выводами для подключения соответственно, источника постоянного напряжения к нагрузки, Четырехполюсник 5 состоит из продольных и поперечных ветвей, Первая продольная ветвь включает первую группу ключей,первый из которых - управляемый, а ос тальные - неуправляемые (диоды), Вторая продольная ветвь состоит из второй группы ключей-диодов, Каждая поперечная ветвь включает конденсатор 9, зашунтированный цепью перезаряда из диода 10 и дросселя 11Аноды диодов первой группы объединены и соединены с выходным выводом 3, точкой соединения дросселя 7 с конденсатором первой поперечной ветви и с анодом диода 13. Анод управляемого ключа этой ветви соединен с входным выводом 1. Катоды диодов второй продольной ветви объединены и подключены к входному выводу 2 и к аноду управ- а ляемого разрядного ключа, катод котое рого соединен с катодом диода 13 и через дроссель 14 - с выходным выводом 4, Иежду разноименными обкладка- Се ми конденсаторов смежных поперечных ветвей включен один из диодов третьей группы. Изобретение позволяет сократить число используемых управляемых ключей при одновременном увеличении передаваемой в нагрузку энергии без увеличения числа каскадов умножения напряжения. 4 ил,Преобразователь постоянного напряжения (Фиг,1) содержит два входныхвыода 1 и 2 для подключения соответ- ЗОстзенно положительной и отрицательнойклемм источника постоянного напряжение 1, два выходных вывода 3 и 4, образуощих соответственно отрицательный0и оложительный выходы преобразовате я, четырехполюсник 5, состоящийиз первой и второй продольных ветвейи Ч поперечных ветвей, первая продольная ветвь содержит ключи (6-1)(6-)первый из которых - управляемый (тиристор), а другие - неуправляемые (диоды), и линейный дроссель7, вторая продольная ветвь содержитнеуправляемые ключи (8-) - 8(1 Ч) (диоды), поперечные ветвисодержат конденсаторы (9-1) - (9-1),параллельно обкладкам которых подключены соответственно цепи перезаряда,состоящие из последовательно соединенных циода (10-1) - (1 О-Ч) и линейного дросселя (11 -1) - (11 -М), преоб 50разователь также содержит ключи (12-1) - (12-Б) разрядной цепи, последний из которых управляемый (тиристор),а остальные неуправляемые (диоды), атакже диод 13 и выходной линейныйдроссель 14,Преобразователь (фиг,1) работаетследующим образом. 5 Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве бестрансформаторного импульсиого источника электропитания 5 различного назначения, в частности дня заряда накопительного конденсатора.Цель изобретения - повышение К 1 Щ и снижение массогабаритных показателей.На фиг,1 и 2 изображены схемы силфвой части преобразователя постоянного напряжения для заряда накопительного конДенсатора; на фиг.З -5 в 1 еменные .диаграммы потребляемого тока 1., суммарного токадросселей цепи.перезаряда и суммарного тока кфщенсаторов на интервале потребления энергии, токаодного из иден тйчных д рос с елей цепи пе ре з аряда, токнагрузки и напряжения . на однбм из идентичных конденсаторов; на фг,4 - эквивалентные схемы замещения преобразователя на интервале заряда, 25 перезаряда и разряда конденсаторов,Со схемы управления (не показана)на управляющий электрод тиристора 6-1поступает запускающий импульс, Тиристор 6- и диоды (6.-2) - (6-1 Ч), (8-1) -1.8-(1-1)3, (10-1) - (10-Ч) открываются и на интервале 0 -1 (фиг, 3) происходит колебательный процесс зарядаконденсаторов (9-1) " (9-Ч) от источника постоянного напряжения (выводы11 и 2 ) через линейный дроссель 7 принекотором нарастании тока в дросселях(11-1) - (11-1) цепей перезаряда. Эквивалентная схема замещения преобразователя при этом имеет вид, представленный на Ьиг,4 а где Е - инфф г,цуктивность линейного дросселя 71,ющуктивность параллельно включенных .линейных дросселей (11-1) - (-Ч)цепей перезаряда; С - суммарная емкость конденсаторов; Б - напряжениеисточника питания,Нарастание суммарного тока дросселей цепи перезаряда будет происходитьтем медленнее (быстрее), чем больше(меньше) отношение К = Е/Е 1. Чемменьше К, тем к моменту равенства нулю потребляемого тока=+г.напряжение на конденсаторах (9-1)(9-Ч) при высоких добротностях . - Сконтура (О = 10-20) будет близко кпочти удВоенному напряжению источника питания.В момент С 1 равенства нулю потребляемого тока 1., тиристор 6-1 и диоды(6-2) - (6-1 Ч), (8-1) - С 8-(1 ЧЦ естественным образом отключаются, Сэтого момента на интервале С1 г(фиг,З) происходит колебательный процесс перезаряда конденсаторов (9-1)(9-1 Ч) через последовательно включенные диод (10-1) - (10-Ч), линейныйдроссель (11-1) - (11 -Ч) соответственно до противоположного по знаку иравного по номиналу напряжения. Приэтом эквивалентная схема замещенияпреобразователя имеет вид, представленный на фиг,4 б, Причем процесс перезаряда конденсаторов (9-1) - (9-1 Ч)по длительности всегда превышает процесс их заряда, что связано с обеспечением запаса по индуктивностям К,В момент 1: равенства нулю токадросселя цепи перезаряда диод цепиперезаряда фиксирует напряжение наконденсаторе, полярность которогоуказана на Ьиг, в скобках. Далее науправляющий электрод тиристора 12-1 Чцепи разряда поступает запускающий724 5541 , импульс, Тиристор 2-1 открывается и на интервале С - С (фиг.З) последовательно соединенные конденсаторы (9-1) - (9-И) через выходной дроссель 14 полностью разряжаются на емкостную нагрузку, подключенную к выводам 3 и 4 преобразователя, Эквива-. лентная схема замещения преобразователя при этом имеет вид, представленный на фиг,4 в. При этом колебательный процесс разряда конденсаторов (9-1) - (9-И) сопровождается возрастанием тока нагрузкиС момента 1 з полного Разряца последовательно включенных конденсаторов (9-1) - (9-И) тиристор 12-Н естественным образом отключается, так как ток нагрузки 1теперь будет замыкаться через открытый диод 13, ми нуя тиристор 12-М, а к егосиловым выводам будет приложено нулевое напряжение, На интервале с э - г+(фиг.3) ток нагрузкибудет поддерживаться за счет энергии, накопленной 25 в выходном дросселе 14, и будет сопровождаться характерным спадом, который зависит от индуктивности дросселя 14, емкости накопительного кон- . денсатора и напряжения на нем. При этом эквивалентная схема замещения преобразователя представлена на фиг4 г. Момент очередного включения тиристора 6-1 осуществляется в промежутке времени между Сз и Г. с учетом времени восстановления сп проводящих свойств полупроводниковых приборов Разрядной цепи, а также с учетом вре мени йп полного РазРЯда конденсатоРов, (9-1) - (9-Б) при максимально возмож ном напряжении на нагрузке, При этом процессы, происходящие в цепях заряца и перезаряда конденсаторов (9-1) - 45 (9-Ю), не оказывают влияние на ток нагрузки х, так как тиристор 12-И выключен. Далее процессы в схеме преобразователя будут аналогичным образом повторяться до тех пор, пока на пряжение на накопительном конденсато" ре не будет практически. равно напряжению на последовательно соединенных конденсаторах (9-1) " (9-Ю) к моменту их очередного разРяда. Таким обра зом напряжение на накопительном конденсаторе к концу зарядного цикла будет практически находиться в пределах от %3 п до 2%1 п, где У- напряжение источника питания; Б - число каскадов умноженияСхема управления тиристорами может быть выполнена, например, по типу ждущего блокинг-генератора, причем период следования запускаюп,их импульсов тиристора зарядной цепи сдвинут относительно периода следования запускающих импульсов тиристора разрядной цепи на фиксированное время Данный временной сдвиг обеспечивается путем соответствующего формирования входных запускающих импульсов блокинг-генераторов. Входные импульсы блокинг-генераторов могут быть получены, например, путем сдвига частоты.задающего генератора, выполненного, например, по интегральным схемам с. помощью распределителей импульсов или сдвигающих устройств, выполненных, например, на тиристорах, транзисторах или триггерах.Одним из.путей повьппения выходной среднеэарядной мощности преобразователя является снижение времени заряда, перезаряда и разряда конденсаторов. Собственная частота колебательного контура перезаряда конденсаторов зависит от собственной частоты колебательного зарядного контура и отношения К индуктивностей этих контуров, Поэтому при больших суммарных емкостях конденсаторов максимальная собственная частота зарядного контура ограничена минимально достижимой индуктивностью этого контура. Таким образом, с целью повьппения уровня выходной среднезарядной мощности преобразователя за счет повышения собственной частоты колебательного зарядного контура, в зарядный контур каждого конденсатора может быть введен линейный дроссель (7-1) - (7-Н). В этом случае максимальная частота идентичных колебательных зарядных контуров будет ограничена уже минимально достих:имой индуктивностью этого контура и емкостью лишь одного конденсатора, Преобразователь (фиг.2) при этом работает аналогичным образом. Таким образом, за счет организации колеба тельного процесса заряда, перезаряда и разряда конденсаторов рассматривае мыл преобразователь позволяет существенно повысить КПД.В предлагаемом преобразователе колебательный процесс заряда параллельно включенных друг относительно другаконденсаторов осуществляется от источника питания через общий для всех или каждый через свой линейный дроссЕль, Это позволяет в первой группе сИловых ключей использовать только один управляемый ключ (тиристор), который осуществляет отсечку одной из обкладок конденсаторов от положительного вывода источника питания, Все остальные силовые ключи первой групп неуправляемые (диоды) и служат дпя предотвращения закорачивания конд 1 энсаторов в процессе их последующего пэрезаряда и разряда, а также предот в ащения взаимного влияния каскадов д уг на друга. Таким образом, происх дит снижение массы преобразователя з счет исключения схем управления к И 1 силовым ключам первой группы. 2 ОПерезаряд конденсаторов приводит к тому, что в качестве силовых ключей второй и третьей группы испольэуют неуправляемые ключи (диоды), причем по сравнению с известным предла гаемый преобразователь содержит на овации ключ второй группы меньше. Это позволяет существенно снизить массу преобразователя эа счет исключения сем управления к силовым ключам вто рЬй и третьей. групп.Кроме того, в предлагаемом преобразователе нет необходимости использсвать управляемый ключ, осуществляюий отсечку отрицательного выхода че- З 5 т рехполюсника и преобразователя,Необходимо отметить, что по сравнению с известным предлагаемый преобразователь при одинаковом числе каскадов умножения позволяет передавать большую энергию, так как его конденсаторы заряжаются и перезаряжаются не дС напряжения источника питания, а практически до вдвое большего, Поэтому при передаче эквивалентной дозы 5 эиергии и сохранении одного и того же уровня выходного напряжения для предлагаемого преобразователя при определенном соотношении параметров элементов схемы по сравнению с известным 5 О потребуется максимум в два раза меньше каскадов умножения, что также позволяет существенно уменьшить массу преобразователя.В преобразователе с большим уровнем передаваемой мощности (при больших емкостях конденсаторов каскадов и относительно малых временах заряда) индуктивности колебательного контура заряда, переэаряда и разряда незначительны по массе. Поэтому в предлагаемом преобразователе суммарная масса линейных дросселей, введенных в контуре заряда, переэаряда и разряда конденсаторов, а также дополнительных диодов в цепях перезаряда и шунтирующего диода разрядной пепи существенно меньше той массы, снижение которой по сравнению с известным обеспечивает исключение двух управляемых ключей, схем управления к Исиловым ключам первой, второй и третьей группы, а также необходимого количества ключей и конденсаторов при каскадном умножении напряжения.Ф о р м у л а изобретенияПреобразователь постоянного напряжения в постоянное, содержащий два входных и два выходных вывода для подключения, соответственно, источника постоянного напряжения и нагрузки, четырехполюсник, состоящий иэ Б поперечных ветвей, первой и второй про,цольных ветвей, каждая иэ которых включает полупроводниковые ключи, образующие первую и вторую группы, причем аноды ключей, кроме управляемого первого, первой группы объединены в общую точку, анод первого ключа этой группы является первым входом четырехполюсника и соединен с входным выводом для подключения положительного полюса источника питания, катоды ключей второй группы объединены в общую точку, соединенную с входным выводом для подключения отрицательного полюса источника питания, каждая иэ попе речных ветвей включает конденсатор, одна обкладка которого, кроме конденсатора первой ветви, соединена с катодом соответствующего ключа первой продольной ветви, а другая обкладка, кроме конденсатора последней попереч- . ной ветви, соединена с анодом соответствующего ключа второй продольной ветви, а также Иполупроводниковых, ключей третьей группы, каждый из которых включен между разноименными об" кладками соответствующих конденсаторов предыдущей и последующей поперечных ветвей, а к одному из выходов четырехпслюсника подключен анодом управляемый полупроводниковый ключ разрядной цепи, о т л и ч а ю щ и й с яснижения массогабаритных показателей,катод первого полупроводникового ключа первой группы соединен со свободным выводом обкладки конденсаторапервой поперечной ветви через дополнительно введенный линейный дроссель,к точке соединения которого с конденсатором указанной ветви подключенаобщая точка соединения ключей первойгруппы, выполненных неуправляемыми,образующая первый выход четырехполюсника, соединенный с первым выходнымвыводом, свободный вывод обкладкиконденсатора последней поперечнойветви образует второй выход четырехполюсника и подключен к общей точкесоединения ключей второй группы, вы 1 Ополненных неуправляемыми, и анодуключа разрядной цепи, катод которогсподключен к общей точке соединениякатода дополнительно введенногодиода с дополнительно введенным выходнымлинейным дросселем, свободный выводкоторого подключен к второму выходному выводу, а анод дополнительногодиода соединен с первым выходным выводом, причем параллельно конденсатору каждой поперечной ветви включена дополнительно введенная цепь пере"заряда, состоящая из последовательносоединенных перезарядных линейногодросселя и диода, анод которого соецинен с первым выходным выводом.1541724ставитель Л.Устинк хред Л. Сердюкова едактор Н а орре За Подписно НТ СССР тета-3 дательский комбинат "Пат г. Уа н в 7 Тир осударственного ко113035, Ио обретения Раушская и открытиябеде 4/