Преобразователь напряжения

Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ оц 936316(23) Приоритет Н 02 М 7/537 Н 03 К 17/60 ЬаударатвсииыЯ канает СССР вв делан изабретеииЯ и открытийОпубликовано 15.06,82. Бюллетень Ле 22 Дата опубликования описания 15.06.82(72) Автор изобретения Б. А. Глебов Московский ордена Ленина энергетический институт(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАСПРЯЖЕНИЯ Изобретение относится к электротехнике, в частности к бесконтактным системам преобразования электрической энергии.Известен преобразователь напряжения, содержащий силовой ключ и нагруз- ку индуктивного характера с цепью ограничения напряжения на силовом ключе при его запирании1 1,Недостаток известного устройства1 О заключается в значительных потерях энергии при отпирании из-за протекания "обратного" тока через коммутирующий диод и при эапирании из-за быстрого нарастания напряжения на запирающемся силовом управляемом ключе, вызванного индуктивным харак;тером нагрузки. Наиболее близким по технической20 сущности является преобразователь на пряжения, содержащий силовой управляемый ключ, нагрузку, магнитный реактор и диод, в котором нагрузка,соединенная первым выводом с первым зажимом источника питания, вторым выводом соединена с первым электродом выходной цепи силового управляемого ключа через первичную обмотку магнитного реактора, второй элект-. род выходной цепи силового управляемого ключа соединен со вторым зажимом источника питания, а вторичная обмотка магнитного реактора и диод соединены последовательно 1 2).Недостатком известного устройства является возникновение.энацительных коммутационных потерь энергии при запирании силового управляемого ключа из-за скачкообразного нарастания напряжения на запирающемся силовом. управляемом ключе, обусловленного индуктивным характером нагрузки последовательно с выходной цепью этого ключа. Цель изобретения - повышение КПД и надежности путем улучшения траектории переключения.93631Поставленная цель достигаетсятем, что преобразователь напряжения,содержащий силовой управляемый ключ,нагрузку, магнитный реактор и диод,в котором нагрузка, соединенная первым выводом с первым зажимом источника питания, вторым выводом подключена к первому электроду выходной цепи силового управляемого ключа черезпервичную обмотку магнитного реактора, второй электрод выходной цеписилового управляемого ключа соединенсо вторым зажимом источника питания,а вторичная обмотка магнитного реактора и диод соединены последовательно, дополнительно введен конденсатор,указанный конденсатор через первичнуюобмотку магнитного реактора подключенпаралелльно выходной цепи силовогоуправляемого ключа а цепь из соеди- щненных последовательно вторичной обмотки магнитного реактора и диодавключена параллельно конденсатору.В первом варианте устройства нагрузка выполнена в виде последовательной Й 1 -цепи, шунтированной коммутирующий диодом,Во втором варианте устройства нагрузка выполнена в виде первичнойобмотки трансформатора, у котороговторичная обмотка через выпрямительподключена параллельной ВС-цепи,а вторичная обмотка магнитного реактора выполнена в виде двух секций,причем число витков первой секциивыбрано равным числу витков первичной обмотки магнитного реактора, авторая секция и соединенный с нейпоследовательно диод шунтированы дополнительным диодом,4 ОНа фиг. 1 представлен преобразователь напряжения, первый вагант;на Фиг. 2 - то же, второй вариант.Схемы содержат первый и второй за 45,жимы источника питания 1 и 2, нагрузку 3, силовой управляемый ключ 4, магнитный реактор 5 с первичной 6 и вторичной 7 обмотками, диод 8 конденсатор 9.В схеме на фиг, 1 нагрузка 3 содержит последовательную К-цепь 10-11,шунтированную коммутирующим диодом 12.В схеме на фиг. 2 нагрузка 3 содержит трансформатор 13 с обмотками14 и 15, выпрямитель 16 и параллельную йС-цепь 17, а вторичная обмотка 7магнитного реактора 5 выполнена ввиде двух секций, причем цепь из со 6 4единенных последовательно второй секции обмотки 7 и диода 8 шунтированадополнительным диодом 18.В схемах на фиг. 1 и 2 с первыми вторым зажимами 1 и 2 источникапитания соединены соответственно первый вывод нагрузки 3 и второй электрод выходной цепи силового управляемого ключа 4, В магнитном реакторе 5первичная обмотка 6 первым выводом(началом) соединена со вторым выводом нагрузки 3, а концом - с первымэлектродом выходной цепи силового управляемого ключа 4. Вторичная обмотка 7 магнитного реактора 5 концомсоединена с началом первичной обмотки 6, а началом через диод 8 со вторым зажимом 2 источника питания. Цепьиз соединенных последовательно вторичной обмотки 7 и диода 8 шунтирована конденсатором 9.В схеме на фиг. 1 между первым зажимом 1 источника питания и началомпервичной обмотки 6 магнитного реактора 5 включены последовательнаяК-цепь 10 и 11 и коммутирующий диод 12, соединенные параллельно и образующие в совокупности нагрузку 3.В схеме на Фиг, 2 трансформатор 13,первичная обмотка 14 которого включена между первым зажимом 1 источникапитания и началом первичной обмотки6 магнитного реактора 5, а вторичнаяобмотка 15 через выпрямитель 16 подключена к параллельной ЙС-цепи 17,образует нагрузку 3 преобразователя.Вторичная обмотка 7 магнитного реактора 5 выполнена в виде двух секций,из которых первая, конец которой соединен с началом первичной обмотки 6магнитного реактора 5, выполнена счислом витков, равным числу витковпервичной обмотки 6, а цепь из соединенных последовательно второй секциивторичной обмотки 7 и диода 8 шунтирована дополнительным диодом 18.Принцип действия предлагаемогоустройства в своей основе одинаковдля схем на фиг. 1 и 2, и поэтомуон рассматривается на примере схемы,представленной на Фиг, 1,При непроводящем состоянии силового управляемого ключа 4 ток последовательной В 1.-цепи 10-11 замыкаетсячерез коммутирующий диод 12.При переходе силового управляемого ключа 4 в проводящее, состояние потенциал на конце первичной обмотки 6понижается практически до нуля, и9363к первичной обмотке 6 прикладывается напряжение питания, Ток силового управляемого ключа, являющийся одновременно током первичной обмотки б магнитного реактора 5, нацинает на растать по линейному закону, а скорость роста тока определяется индуктиеностью обмотки б и величиной напряжения питания Е.По мере роста тока силового ключа 10 4 уменьшается ток через коммутирующий диод 12. Пока последний остается в состоянии высокой проводимости, не изменяется потенциал на начале первичной обмотки 6, т.е. напряжение на конденсаторе 9 остается неизменным.Когда в процессе нарастания ток силового управляемого ключа 4 достигает значения тока дросселя после довательной Й 1.-цепи 10-11, изменяется направление тока через коммутирующий диод 12. Через промежуток времени после перемены направления тока в диоде 12, определяемый инерционностью 25 этого диода, восстанавливаются вентильные свойства диода, т.е. он переходит в состояние низкой проводимости. С этого момента начинается разряд конденсатора 9 через первичную обмотку б магнитного реактора 5.За время работы коммутирующего диода 12 в состоянии высокой проводимости и за время разряда конденсатора 9 через обмотку 6 и силовой ключ 4 в магнитном реакторе накапливается энергия, Энергия, ранее накопленная в конденсаторе 9 передается в реактор 5.Когда напряжение на конденсаторе 9 падает за счет энергии, переданной в реактор, на его обмотках возникает ЭДС электромагнитной индукции и диод 8. ранее запертый напряжением на конденсаторе 9 и на вторичной обмотке 7 магнитного реактора 5, переходит в состояние высокой проводимости, С момента отпирания диода 8 прекращается накопление энергии в магнитном реакторе, Наоборот накопленная энергия начинает выделяться в диоде 8 и в выходной цепи силового управляемого ключа 4, работающего е состоянии высокой проводимости. Однако процесс отдачи энергии происходит многократно55 медленнее, чем процесс ее накопления в магнитном реакторе из-за незначительности падения напряжения на диоде 8 и силовом управляемом ключе 4 16 6в сравнении с напряжением питания Е,до которого заряжается конденсатор 9во время работы силового управляемогоключа 4 в режиме низкой проводимости.Поэтому к моменту перехода силовогоуправляемого ключа 4 из состояниявысокой проводимости в состояние низкой проводимости (в процессе такогоперехода начинает уменьшаться ток силового управляемого ключа 4) энергияв реакторе оказывается практическинерастраченной,. что выражается в сохранении м.д.с. в сердечнике реактора. Тогда уменьшение тока через первичную обмотку 6 реактора 5 вызываетпоявление тока (нарастающего по величине) во вторичной обмотке 7, и этимтоком, а также током нагрузки 3 конденсатор 9 заряжается,Ограниченность тока обмотки 7и тока нагрузки 3, заряжающих конденсатор 9, означает, что напряжение нанем нарастает плавно. Соответственноплавно нарастает напряжение на силовом управляемом ключе 4, так какОК О1 + (Ы /йгде О и О- напряженйя йа конденсаторе 9 и силовом управляемом ключе4 соответственно. Постепенност ь нарастания напряжения на силовом управляемом ключеобусловливается незначительные коммутационные потери во время процессазапирания, когда происходит снижениетока через ключ. Это же приводит куменьшению вероятности вторичногопробоя, т,е. к повышению надежностифункционирования устройства,Когда конденсатор 9 заряжаетсядо напряжения питания Е, отпираетсякоммутирующий диод 12. С этого момента энергия, накопленная в магнитном реакторе 5, частично переданнаяв конденсатор 9 во время его заряда,возвращается в источник питания. Приэтом ток протекает по последовательной цепи, образованной диодом 8, вторичной обмоткой 7 магнитного реактора 5 и коммутирующим диодом 12,Работа устройства, изображенногона фиг. 2, происходит аналогично.Отличие состоит в том, что при нарастании тока первичной обмотки 6 магнитного реактора, являющегося одно"временно током силового управляемогоключа 4, а также током первичнойобмотки 14 трансформатора 13, сначалауменьшается, а затем изменяет напрае 9363ление ток через выпрямитель 16. При этом ток силового управляемого клюца нарастает плавно и остается во время ограниченным из-за действия индуктивности первичной обмотки 6 магнитного реактора 5. Этим обуславливаются малые коммутационные потери в силовом ключе 4 и выпрямителе 16 за время восстановления вентильных свойств диодов выпрямитель 16. После 1 о восстановления вентильных свойств диодов выпрямителя 16 начинается процесс разряда конденсатора 9 и накопленная в нем энергия передается в реактор 5. Процессы при запирании силовогоуправляемого ключа 4 происходят аналогично с той разницей, что зарядконденсатора 9 происходит до напря 20жениЯ (Е + Ц 4 ), Где О,4 ндпрЯже -ние на первичной обмоткв 14 трансФорматора 13. После оконцания зарядаконденсатора 9 начинается протеканиетока по последовательной цепи, образованной диодом 8, вторичной обмоткой 7 магнитного реактора 5 и обмоткой 14 трансФорматора 13. При этомэнергия, накопленная в реакторе ичастично переданная в конденсатор 9зопри его заряде, возвращается в источник питания и, кроме того, черезтрансФорматор 13 передается на еговторичную сторону,Подъем напряжения Ок на силовомуправляемом ключе 4 при его запирании от начального нулевого значенияобусловлен тем, что между вторичнойобмоткой магнитного реактора и егопервичной обмоткой имеется магнитнаяЯ 40сВЯзь, из-за котоРой О к = Оо(1 + - ),Иугде О - мгновенное значение напряжеСния на конденсаторе 9 в процессе его, заряда. Записанное соотношение справедливо только при 1003 магнитнойсвязи между обмотками 6 и 7 магнитного реактора 5, Между тем, с точки зрения уменьшения напряжения на запертомключе и уменьшения рассеяния энергии,переданной в реактор из конденсатора,в диоде 8 и силовом управляемом ключе 4 во время их проводящего состоянияжелательно, цтобы (Ы/Ч )(с 1. При таком соотношении между числами витковмагнитная связь между первичной и 55вторичной обмотками магнитного реактора 5 ухудшается, что может статьпричиной появления коротких "всплес 16 8ков" напряжения при переключении тока из первичной обмотки во вторичную при запирании силового управляемого ключа 4. Чтобы избежать этого целесообразно выполнить вторичную обмотку в виде двух секций, соединенных последовательно- согласно, причем число витков первой секции выбрать равным числу витков первичной обмотки 6, а цепь из соединенных последовательно второй секции вторичной обмотки 7 и диода 8 шунтировать дополнительным диодом 18. Через него и первую секцию вторичной обмотки 7 замыкается ток заряда конденсатора 9, трансформируемый (переключаемый) из первичной обмотки 6 во вторичную 7 в начале процесса заряда конденсатора 9, пока не нарастает ток во вторичной секции вторичной обмотки, имеющей большее число витков и обладающей поэтому индуктивностью рассеяния. После нарастания этого тока дополнительный диод 18 запирается, а ток, трансформируемый в обмотку 7, протекает через обе ее секции и диод 8.Уменьшение потерь энергии в сравнении с известным преобразователем, обусловлено тем, цто в предложенном устройстве сочетается ограниченность тока силового ключа при его отпирании с ограниченностью скорости нарастания напряжения на силовом управляемом ключе при его запирании. Кроме того, повышается надежность за счет уменьшения вероятности вторичного ,пробоя в силовом управляемом ключе.Формула изобретения1. Преобразователь напряжения, содержащий силовой управляемый ключ, нагрузку, магнитный реактор и диод, в котором нагрузка, соединенная первым выводом с первым зажимом источника питания, вторым выводом подключена к первому электроду выходной цепи силового управляемого ключа через первичную обмотку магнитного реактора, второй электрод выходной цепи силового управляемого .ключа соединен с вторым зажимом источника питания, а вторичная обмотка магнитного реактора и диод соединены последовательно, о т л и ц а ю щ и й с я тем, цто, с целью повышения КПД и надежности путем улучшения траектории переключения силового управляемого ключа в9363преобразователь дополнительно введен конденсатор, указанный конденсатор через первичную обмотку магнитного реактора подключен параллельно выходной цепи силового управляемого ключа, а цепь из соединенных последовательно вторичной обмотки магнитного реактора и диода включена параллельно конденсатору.2, Устройство по и. 1, о т л и- о ч а ю щ е е с я тем, что вторичная обмотка магнитного реактора выполнена в .виде двух секций, причем число витков первой секции выбрано равным 16 19числу витков первичной обмотки магнитного реактора, а вторая секция вторичной обмотки и соединенный с ней последовательно диод аунтйрованы дополнительным диодом,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Мои В. С. и Лаптев Н, Н, Стабилизированныетранзисторные преобраэователй. М., "Энергия", 1972, с. 161,рис, 6-1.2. Авторскуе свидетельство СССРй 395824, кл. С 05 Г 3/00, 1973.936316Составитель Н, Цишевская Редактор И. Митровка Техред А. Ац Корректор В. Синицкая Заказ 4245/УО Тираж 721 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб д. 4/5Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4