Преобразователь напряжения

(505 Н 02 ЕТЕ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗО АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Киевский политехнический институт им, 50-летия Великой Октябрьской социалистической революции(56) Авторское свидетельство СССР ЬЬ 1288871, кл, Н 02 М 7(538, 1985.Патент АнглииМ 1583747, кл. Н 02 М 1(18, 1981.(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ (57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах вторичного электропитания и электропривода. Цель изобретения - повышение КПД и надежности путем уменьшения динамических потерь при замыкании силового ключа. Силовой ключ, например транзистор 3, шунтирован цепочкой из последовательного соединенных конденсатора 1 и первого диода 2. При выключении транзитора 3 происходит медленный заряд конденсатора 1, благодаря чему исключаются потери мощности в транзисторе 3, При включении транзистора 3 его ток нарастает замедленно благодаря дросселю 8, После включения транзистора 3 происходит разряд конденсатора 1 через дроссель 8, Энергия, накопления в дросселе 8, отдается в источник питания 6 через рекуперационный трансформатор 4 и первый 2 и второй 7 диоды. 1 з.п.ф-лы, 5 ил.5 10 15 20 30 35 40 45 50 55 Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах вторичного электропитания и электропровода,Цель изобретения - повышение КПД и надежности путем уменьшения динамических потерь при замыкании силового ключа,На фиг. 1 и 2 показана отнотактная и двухтактная полумостовые схемы предлагаемого преобразователя напряжения соответственно: на фиг. 3 - диаграммы токов и напряжений для.схемы на фиг, 1; на фиг. 4 и 5 - диаграммы токов и напряжений для схемы на фиг. 2,В схеме на фиг, 1 последовательно соединенные конденсатор 1 и первый диод 2 включены параллельно силовому ключу 3, выполненному, например, в виде транзистора, Рекуперационный трансформатор 4 первичной обмоткой 5 включен между первым входным выводом преобразователя, к которому подключен источник 6 питанияи точкой соединения конденсатора 1 и диода 2. Вторичная обмотка трансформатора 4 через второй диод 7 включена параллельно источнику 6 питания, Дроссель 8 включен между упомянутым выводом источника 6 питания и выводом силового ключа 3, соединенным с диодом 2, Нагрузка 9, зашунтированная обратным диодом 10, подключена между другим выводом источника 6 питания и выводом силового ключа 3, соединенным с конденсатором 1.,В схеме на фиг. 2 цепи снижения динамических потерь мощности, подключенные к силовым ключам 3.1 и 3.2, отличаются от цепи, показанной на фиг. 1, лишь наличием дополнительно введенных диодов 11.1 и 11,2, включенных параллельно первичным обмоткам 5.1 и 5,2 трансформаторов 4,1 и 4.2, Обратные диоды 10.1 и 10,2 включены параллельно силовым ключам 3.1 и 3.2, а й 1-нагрузка 9 включена между точкой соединения этих ключей и средней точкой емкостного делителя напряжения, образованного последовательно соединенными конденсаторами 12 и 13, подключенными параллельно источнику 6 питания.При изображении коммутационных процессов (фиг, 3 - 5) использованы следующие обозначения ,Ол - напряжение источника 6 питания; О, = О, и, где и - отношение количества витков первичной и вторичной обмоток трансформатора 4; 1, - ток нагрузки 9, который в течение коммутационных процессов полагается неизменным, Индексы токов и напряжений на фиг, 3 - 5 соответствуют номеру элемента на фиг, 1 и 2.Рассмотрим коммутационные процессы (фиг. 3), которые протекают в схеме на фиг. 1 при замыкании в момент т, и размыкании в момент а 5 транзистора 3,На интервале от 10 и с 1 ток нагрузки 9 переходит из обратного диода 10 в дроссель 8, напряжения на котором при этом равно Оп. Конденсатор 1 остается заряженным до напряжения Оп+ Оо,В момент о обратный диод 10, закрывается и в контуре конденсатор 1 - силовой ключ 3 - дроссель 8 - первичная обмотка 5 трансформатора 4 начинается колебательный процесс, в результате которого конденсатор 1 разряжается, При этом к первичной обмотке 5 трансформатора 4 прикладывается напряжение О 0, а к вторичной - напряжение Оп и через эту обмотку, а также открывшийся диод 7 часть энергии конденсатора 1 возвращается в источник 6 питания,В момент 12 напряжение на дросселе 8 становится равным нулю, конденсатор 1 разряжается до напряжения О 0, а ток его разряда достигает максимального значения 1 и = О, -, где С - емкость конденсатора /о 1; 1 - индуктивность дросселя 8. Затем разряд конденсатора 1 продолжается, напряжение на дросселе 8 меняет знак и ток в нем начинает спадать.В момент тз конденсатор 1 разряжается до нуля, открывается диод 2 и колебательный процесс в цепи прекращается, В результате того, что часть тока дросселя 8 через диод 2 протекает по первичной обмотке 5 трансформатора 4, к дросселю 8 прикладывается напряжение О 0 и в течение интервала 1 з - т 4 его ток спадает до величины тока нагрузки 9. На этом интервале вся энергия, перешедшая из конденсатора 1 в дроссель 8, через вторичную обмотку трансформатора 4 и диод 7 возвращается в источник 6 питания.В момент т 4 токи обмоток трансформатора 4 спадают до О, диоды 2 и 7 закрываются, напряжение на дроссель 8 становится равным нулю, а его ток - равным току нагрузки 9, На этом коммутационные процессы, возникающие при замыкании ключа 3, завершаются,На интервале от 15 до 1 б конденсатор 1 заряжается до напряжения Ол током нагрузки 9, протекающим также через диод 2 и дроссель 8.В момент тб открывается обратный диод 10 и в цепи нагрузка 9 - обратный диод 10 в конденсатор 1 - диод 2 - дроссель 8 начинается колебательный процесс, в результате которого ток дросселя 8 уменьшается, токобратного диода 10 на такую же величинуувеличивается, а конденсатор 1 к моменту ттзаряжается до напряжения Оп + О-, В момент с 1 колебательный процесс в цепи пре-кращается, ток нагрузки 9 полностью 5переходит в обратный диод 10, к дросселю8 прикладывается напряжение - Оо, а еготок, линейно спадая, протекает через диод2 по первичной обмотке 5 трансформатора4. В течение интервала О - тв вся энергия, 10запасенная дросселем 8, возвращается висточник б питания.В момент тв ток дросселя 8 и токи обмоток трансформатора 4 спадают до нуля, диоды 2 и 7 закрываются и напряжение на 15дросселе 8 становитгя равным нулю. Наэтом коммутационные процессы, вызванные размыканием силового ключа 3 завершаются, и схема переходит в исходноесостояние (предшествующее моменту то) 20Следует отметить, что если в течениеразомкнутого состояния ключа 3 конденсатор 1 будет заряжаться до напряженияменьшего, чем Оп, то в рассмотренных вышекоммутационных процессах будут отсутствовать интервалы 1 в - тв и то - т 1, При этомпосле размыкания ключа 3 ток нагрузки 9 небудет закорачиваться через обратный диод10, ток дросселя 8 не будет спадать до нуля,а в момент замыкания ключа 3 величины 30напряжения Ов и 01 будут меньшимй, чемпоказано на фиг. 3,Особенности работы устройства привыполнении преобразователя по двухтактной полумостовой схеме, 35При отсутствии тока нагрузки (режимхолостого хода) коммутационные процессыв схеме преобразователя, показанного нафиг. 2, вызываются только замыканием силовых ключей. На фиг. 4 представлены процессы, протекающие, например, призамыкании в момент 11 силового ключа 3.2,Эти процессы отличаются от процессов,представленных на фиг. 3 (с учетом, что и ==О), лишь тем, что на интервале на 11 - 1 з ток 45дросселя 8,2 делится поровну между конденсаторами 1.1 и 1,2. При этом Ь = Оп - , аКсток конденсатора 1.1 протекает через диод5011,1,При наличии тока нагрузки коммутационные процессы в схеме двухтактного инвертора (фиг. 2) протекают так, как показано на фиг, 5. Здесь отличия от фиг. 3 появляются вследствие того, что в момент размыкания силового ключа 3.1 одновременно с ним замыкается силовой ключ 3.2. В этом случае в момент 11 ток нагрузки 9 переходит в диод 2,1 и конденсатор 1,1, Сумма напряжений на конденсаторах 1.1 и 1,2 в этот момент равна О "- О. На интервале от ц до т 2 в цепях дроссель 8.1 - диод 2,1 - конденсатор 1,1 и силовой ключ 3.2 - дроссель 8,2 - первичная обмотка 5.2 трансформатора 4.2 - конденсатор 1,2 возникает колебательный процесс, в ходе которого происходит перераспределения тока нагрузки 3 между упомянутыми конденсаторами. На указанном интервале зарядный ток конденсатора 1,1 превышает разрядный ток конденсатора 1, 2, поэтому сумма напряжений на этих конденсаторах возрастает и в момент т 2 достигнет значения Ол + 20 О.В момент т 2 напряжения на дросселе 8,1, а следовательно, и на первичной обмотке 5.1 трансформатора 4.1 становится равным Оо. Ток конденсатора 1,1 скачкообразно уменьшается, а ток конденсатора 1,2 скачкообразно увеличивается до значения, равного полусумме токов нагрузки 9 и дросселя 8,2, В течение интервала тг - тз токи конденсаторов 1.1 и 1.2 нарастают, оставаясь одинаковыми по величине, а часть линейно спадающего тока дросселя 8,1 протекает по первичной обмотке 5,1 трансформатора 4, При этом через вторичную обмотку эгого трансформатора и открывшийся диод 7,1 некаторая часть энергии, запасенная дросселем 8,1, возвращается в источник б питания,К моменту тз конденсатор 1.1 заряжается до напряжения О+ О, а конденсатор 1.2 разряжается до напряжения Оо. В этот момент напряжение на дросселе 8.2 меняет знак, а его ток, а следовательно, и токи перезаряда конденсаторов 1,1 и 1,2 начинают спадать,В момент 14 конденсатор 1,1 заряжается до напряжения Оп + Оо, конденсатор 1.2 разряжается до нуля и колебательный процесс перезаряда этих конденсаторов заканчивается. Через открывшиеся диоды 2.2 и 10.2 токи дросселя 8.2 и нагрузки 9 начинают протекать по первичной обмотке 5.2 трансформатора 4.2, На интервале 14-ь к дросселю 8,2 прикладывается напряжение Оо, поэтому его ток линейно спадает и к моменту 15 становится равным нулю.В течение интервала т 5 - т 7 происходит переход тока нагрузки 9 из первичной обмотки 5.2 трансформатора 4.2 в дроссель 8.2. В момент св завершается вывод энергии из дросселя 8.1 в источник б питания. Ток дросселя 8,1 и напряжение на нем становятся равными нулю, а диод 2.1 закрывается,К момеКту т 7 ток нагрузки 9 полностью переходит в дроссель 8.2 напряжение накотором в этот момент по-прежнему равно - ОоЗатем в результате колебательного процесса часть тока дросселя 8,2 на интервале с 7 - тв протекает через конденсатор 1,1 и первичную обмотку 5.1 трансформатора 4.1, а на интервале тв-В еще и через конденсатор 1.2 и диод 11,2. В момент тв конденсатор 1,1 разряжается до напряжения Ол + О и ток дросселя 8.2 достигает максимального значения, а напряжение на нем меняет знак.Вследствие того, что на интервале О 7 - Ъ часть энергии колебательного контура через вторичную обмотку трансформатора 4.1 и диод 7.1 передается в источник 6 питания, к моменту тэ конденсатор 1,2 заряжается до напряжения меньшего, чем Оо, а конденсатор 1,1 разряжается до напряжения на такую же величину меньшего, чем Ол+ О.В момент тд ток дросселя 8.2 становится равным току нагрузки 9, напряжение на нем - равным нулю, а диоды 7,1 и 11,2 закрываются. На этом коммутационные процессы в схеме завершаются. При реализации рассмотренных преобразователей напряжения О, определяемое соотношением витков в обмоткахтрансформаторов 4(фиг, 1) или 4.1, 4.2(фиг, 2), следует выбирать таким, чтобы вывод энергии из любого дросселя всегда завершался до момента очередного замыкания соединенного с ним силового ключа,Формула изобретения 1. Преобразователь напряжения, содержащий в каждом плече силовой ключ, первый силовой вывод которого соединен с 5 выходным выводом преобразователя, а второй силовой вывод - с первым выводом первого диода, второй вывод которого через: конденсатор соединен с первым силовым выводом силового ключа, рекуперационный 10 трансформатор, первичная обмотка которого первым выводом соединена с первым входным выводом, а вторичная через второй диод включена между первым и вторым входными выводами, и дроссель, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышенияКПД и надежности путем уменьшения динамических потерь при замыкании силового ключа, дроссель включен между вторым силовым выводом силового ключа и первым 20 входным выводом преобразователя, а второй вывод первичной обмотки рекуперационного трансформатора подключен к второму выводу первого диода,2. Преобразователь по и. 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью улучшениямассогабаритных показателей путем убыстрения процессов перезаряда реактивных элементов при выполнении преобразователя по двухтактной полумостовой схеме, в 30 каждом плече введен третий диод, включенный параллельно первичной обмотке рекуперационного трансформатора и встречно по отношению к первому диоду..9- . едактор Н,Химч орректор А,г)сауленк изводстненно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул. апарина. 101 аз 3824ВНИИП Составитель В,Моин Техред М,Моргентал Тираж Подписноеосударственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5