Преобразователь постоянного напряжения в постоянное

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве бестрансформаторного импульсного источника питания. Цель изобретения - повышение 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 остальные - 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 11. Аноды 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 управляемого разрядного ключа, катод которого соединен с катодом диода 13 и через дроссель 14 - с выходным выводом 4. Между разноименными обкладками 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. 7 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (51) 5 Н 02 3 18

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТБЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21 ) 4432284124-07 (22) 30, 05, 88 (46) 07,02. 90. Бюл. Р 5 (71) Истринский филиал Всесоюзного электротехнического института им, В.И. Ленина (72) В.Е.Зеленов и С.В;Липатов (53) 621.314.1 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 995428, кл. Н 02 И 3/18, 1980.

Авторское свидетельство СССР

Р 1!71923, 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 — повьш ение 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, „„SU„„1 41724 А1 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 11 ° Аноды 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 кото" ф рого соединен с катодом диода 13 и через дрос сель 14 — с выходным выводом 4, 1!ежду 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.

1541 724

Изобретение относится к электрогехнике и может быть использовано в качестве бестрансформаторного импульсиого источника электропитания 5 различного назначения, в частности дня заряда накопительного конденсатора.

Цель изобретения — повышение К)Щ и снижение массогабаритных показателей.

На фиг.l и 2 изображены схемы силфвой части преобразователя постоянного напряжения для заряда накопительного конДенсатора; на фиг.З вЂ” )5 временные .диаграммы потребляемого тока i, суммарного тока i< дросселей цепи..перезаряда и суммарного тока кфщенсаторов на интервале потребления энергии, тока i одного из иден- 20 тцчных дросселей цепи перезаряда, ток i „ нагрузки и напряжения П,, на одном из идентичных конденсаторов; на ф )г.4 — эквивалентные схемы замещения преобразователя на интервале заряда, 25 перезаряда и разряда конденсаторов, Преобразователь постоянного напряжения {Фиг,!) содержит два входных вы ода 1 и 2 для подключения соответ- ЗО ст зенно положительной и отрицательной

KJIlBMM источника постоянного напряжени, два выходных вывода 3 и 4, образу ощих соответственно отрицательный

О и оложительный выходы преобразовате я, четырехполюсник 5, состоящий из первой и второй продольных ветвей и 1) поперечных ветвей, первая продольная ветвь содержит ключи (6-1) (6tN) „первый из которых — управляемый (тирис тор), а другие - неуправляемые (диоды), и линейный дроссель

7, вторая продольная ветвь содержит неуправляемые ключи (8-! ) — 8 (N-1) (диоды), поперечные ветви содержат конденсаторы (9-1) - (9-)1), параллельно обкладкам которых подключены соответственно цепи перезаряда, состоящие из последовательно соединенных циода (10-1) — (10-N) и линейного дросселя (11-1) — (I I -М), преоб50 разователь также содержит ключи (12-1) — (12-1!) разрядной цепи, оследний из которых управляемый (тиристор), а остальные неуправляемые (диоды), а также диод )3 и выходной линейный дроссель 14.

Преобразователь (фиг.l) работает следующим образом.

Со схемы управления (не показана) на управляющий электрод тиристора б-) поступает запускающий импульс. Тиристор 6-! и диоды (6.-2) — (6-N), (8-) )—

L8- (N-I ) 7 (10-1) — (I 0-!Ч) открываются и на интервале Π— t, (фиг.З) происходит колебательный процесс заряда конденсаторов (9-)) — (9-N) от источника постоянного напряжения (выводы

1 и 2 ) через линейный дроссель 7 при некотором нарастании тока в дросселях (1) -1) - (11-N) цепей перезаряда. Эквивалентная схема замещения преобразователя при этом имеет вид, представленный на Лиг.4 а где Š— инв f э 2 ,цуктивность линейного дросселя 7 L индуктивность параллельно включенных . линейных дрос селей (11-1) — (11-N) цепей перезаряда, С вЂ” суммарная емкость конденсаторов, U„напряжение источника питания.

Нарастание суммарного тока дросселей цепи перезаряда будет происходить тем медленнее (быстрее), чем больше (меньше) отношение К = L /L,. Чем меньше К, тем к моменту равенства нулю потребляемого тока i = i +

1 1 3 напряжение на конденсаторах (9-1) (9-М) при высоких добротностях L — С

1 контура (О = 10-20) будет близко к почти удВоенному напряжению источника питания.

В момент t равенства нулю потребляемого тока i, тиристор 6-1 и диоды (6-2) — (6-N), (8-1) .— P 8-(N-) ) естественным образом отключаются. С этого момента на интервале t

1 (фиг.3) происходит колебательный процесс перезаряда конденсаторов (9-1) (9- N) через последовательно включенные диод (1 0-1) — (I О-N), линейный дроссель (11-1) — (11-N) соответственно до противоположного по знаку и равного по номиналу напряжения. При этом эквивалентная схема замещения преобразователя имеет вид, представленйый на фиг.4 б. Причем процесс перезаряда конденсаторов (9-1) — (9-1)) по длительности всегда превышает процесс их заряда, что связано с обеспечением запаса по индуктивностям К.

В момент равенства нулю тока i

1 дросселя цепи перезаряда диод цепи перезаряда фиксирует напряжение на конденсаторе, полярность которого указана на Ьиг.! в скобках. Далее на управляющий электрод тиристора 12-N цепи разряда поступает запускающий

724

5 1541 . импульс, Тиристор 12-N открывается и на интервале — t3 (фиг.З) последовательно соединенные конденсаторы (9-1) — (9-N) через выходной дросс ель 1 4 полнос тью раз ряжаются 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-N) сопровождается возрастанием тока нагрузки

С момента э полного разряда последовательно включенных конденсаторов (9-1) — (9-N) тиристор 12-N естественным образом отключается, так как ток нагрузки i „ теперь будет замыкаться через открытый диод 13, ми- 2р нуя тиристор 12-N, а к его силовым выводам будет приложено нулевое напряжение. На интервале t э — t+ (фиг.3) ток нагрузки i „будет поддерживаться эа 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 фиг ° 4 г.

Момент очередного включения тиристора 6-1 осуществляется в промежутке времени между t3 и t< с учетом времени восстанОвления t прОвОдящих свойств полупроводниковых приборов разрядной цепи, а также с учетом вре- 4р мени йп полного РазРЯда конденсатоРов, (9-1) — (9-N) при максимально возможном напряжении на нагрузке, При этом процессы, происходящие в цепях заряда и перезаряда конденсаторов (9-1) — 45 (9-Н), не оказывают влияние на ток нагрузки i „, так как тиристор 12-N выключен. Далее процессы в схеме преобразователя будут аналогичным образом повторяться до тех пор, пока на- 5р пряжение на накопительном конденсато" ре не будет практически. равно напряжению на последовательно соединенных конденсаторах (9-1) - (9-N) к моменту их очередного разряда. Таким образом„ напряжение на накопительном конденсаторе к концу зарядного цикла будет практически находиться в пределах от NU< до 2NU>, где U > — напряжение источника питания; Б — число каскадов умножения.

Схема управления тиристорами может быть выполкена, 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 средкеэарядной 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 ограничека минимально достижимой индуктивкостью 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-N). 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

MbIA преобразователь позволяет существенно повысить КПД.

В предлагаемом преобразователе колебательный процесс заряда параллельно включенных друг относителько друга

1541 724 конденсаторов осуществляется от источника питания через общий для всех или каждый через свой линейный дроссЕль, Это позволяет в первой группе снловых ключей использовать только один управляемый ключ (тиристор), который осуществляет отсечку одной из сбкладок конденсаторов от положительного вывода источника питания, Все остальные силовые ключи первой групп неуправляемые (диоды) и служат д пя предотвращения закорачивания конд1энсаторов в процессе их последующего п эрезаряда и разряда, а также предот- 1.5 в ащения взаимного влияния каскадов д yr на друга. Таким образом, происх дит снижение массы преобразователя з счет исключения схем управления к

И 1 силовым ключам первой группы. 2р

Перезаряд конденсаторов приводит к тому, что в качестве силовых ключ ей второй и третьей группы используют неуправляемые ключи (диоды), причем по сравнению с известным предлагаемый преобразователь содержит на овации ключ второй группы меньше. Это позволяет существенно снизить массу преобразователя эа счет исключения с ем управления к силовым ключам вто- 39 рЬй и третьей..групп.

Кроме того, в предлагаемом преобразователе нет необходимости использовать управляемый ключ, осуществляю) ий отсечку отрицательного выхода че- З5 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. Поэтом 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 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 N-1 силовым ключам первой, второй и третьей группы, а также необходимого количества ключей и конденсаторов при каскадном умножении напряжения.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

Преобразователь постоянного напряжения в постоянное, содержащий два входных и два выходных вывода для подключ ения, с оо тветс твенно, ис точника 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 И-1 полупроводниковых, ключей третьей группы, каждый из которых вкюпочен между разноименными обкладками соответствующих конденсаторов предыдущей и последующей поперечных ветвей, а к одному из выходов четырехпслюсника подключен анодом управляемый полупроводниковый ключ разрядной цепи, отличающийся

/ тем, что, с целью повьппения КПД.и I! 541724

l0 снижения массогабаритных показателей, катод первого полупроводникового ключа первой группы соединен со свободным выводом обкладки конденсатора первой поперечной ветви через дополнительно введенный линейный дроссель, к точке соединения которого с конденсатором указанной ветви подключена общая точка соединения ключей первой группы, выполненных неуправляемыми, образующая первый выход четырехполюсника, соединенный с первым выходным выводом, свободный вывод обкладки конденсатора последней поперечной ветви образует второй выход четырехполюсника и подключен к общей точке соединения ключей второй группы, выполненных неуправляемыми, и аноду ключа разрядной цепи, катод которогс подключен к общей точке соединения катода дополнительно введенного дио5 да с дополнительно введенным выходным линейным дросселем, свободный вывод которого подключен к второму выходному выводу, а анод дополнительного диода соединен с первым выходным выводом, причем параллельно конденсатору каждой поперечной ветви включена дополнительно введенная цепь пере" заряда, состоящая из последовательно соединенных перезарядных линейного дросселя и диода, анод которого соецинен с первым выходным выводом.

1541724

4" ®

Редактор Н.Яцола

Заказ 282 Тираж 497 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

3 13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

Nn и„

Составитель Л. Устинкнна

Техред Л.Сердюкова Корректор C.Шекмар