Способ двухтактного несимметричного импульсного преобразования постоянного напряжения

 

Предлагаемый способ двухтактного несимметричного импульсного преобразования и регулирования постоянного напряжения относится к электротехнике, в частности к преобразователям постоянного напряжения и регуляторам напряжения и может быть использован в системах электропитания, зарядки и электропривода. В предлагаемом способе двухтактного несимметричного импульсного преобразования постоянного напряжения на первом этапе периода периодического процесса при замкнутом состоянии первого ключа производится увеличение энергии входного дросселя от энергии входа, а также передача части энергии первого конденсатора через трансформатор с проходной индуктивностью, первый выпрямительный диод на первый накопительный конденсатор и выход, а на этапе разомкнутого состояния первого ключа энергия входа и входного дросселя увеличивает энергию первого конденсатора и передается через трансформатор с проходной индуктивностью, второй выпрямительный диод на второй накопительный конденсатор и выход, куда также поступает через замкнутый второй ключ часть энергии второго конденсатора, полученная им в начальной части этого этапа от энергии входа и входного дросселя. При этом вводятся определенные коммутационные задержки по управлению на поочередное переключение полупроводниковых приборов ключей для уменьшения потерь и формирования траектории при переключении этих полупроводниковых приборов при обмене энергиями проходной индуктивности трансформатора с собственными емкостями полупроводниковых приборов ключей и дополнительно подключенными к ним емкостями. При этом энергия из источника питания потребляется непрерывно на обоих различных по длительности несимметричных этапах периода, энергии первого и второго конденсаторов колеблются относительно своих средних значений, у трансформатора - симметричный процесс перемагничивания без постоянной составляющей тока намагничивания и максимальный коэффициент использования, соответствующий мостовому двухтактному преобразованию, напряжения на разомкнутых первом и втором ключах и выпрямительных диодах имеют трапецеидальную форму с плоской вершиной без выбросов, что обеспечивает технический результат - уменьшение потерь и повышение надежности ключей и диодов, а емкостный характер выхода выпрямителя обеспечивает возможность получения нескольких выходных каналов с хорошим согласованием. 2 ил.

Предлагаемый способ двухтактного несимметричного импульсного преобразования постоянного напряжения относится к электротехнике, в частности к преобразователям постоянного напряжения и регуляторам напряжения и может быть использован в системах электропитания, зарядки и электропривода.

Известен способ импульсного повышающего двухтактного преобразования постоянного напряжения, при котором на этапе замкнутого состояния двух ключей производят увеличение энергии входного дросселя от энергии входа, а на этапе разомкнутого состояния одного из ключей энергии входа и часть от дросселя предают через трансформатор и один из выпрямительных диодов на фильтрующую емкость и выход [Мелешин В.И., Опадчий Ю.Ф. Многоканальный стабилизированный преобразователь с выходной мощностью 400 Вт. В сб.: Электронная техника в автоматике /Под ред. Конева Ю. И. Вып. 3 - М.: Сов. Радио, 1972, с.136...143]. Недостатками данного способа являются необходимость контроля симметрии магнитного процесса трансформатора для исключения постоянной составляющей тока намагничивания, плохое использование трансформатора из-за пауз при передаче энергии, плохая энергетика и траектория ключей при переключении, увеличенные обратное напряжение на выпрямительных диодах и пульсации на фильтрующей емкости. Это приводит к необходимости завышения установленной мощности ключей, трансформатора и фильтра для получения необходимой надежности, что приводит к ухудшению энергетических, массогабаритных и экономических показателей преобразователя.

Наиболее близким техническим решением является способ несимметричного импульсного преобразования постоянного напряжения, при котором на этапе замкнутого состояния регулирующего ключа производится увеличение магнитной энергии входного дросселя от энергии входа, а также передача части энергии первого конденсатора через трансформатор, первый выпрямительный диод и индуктивно-емкостный фильтр на выход, а на этапе разомкнутого состояния регулирующего ключа энергия от входа и входного дросселя увеличивают энергию первого конденсатора и передают через трансформатор, второй выпрямительный диод и фильтр на выход, куда также поступает через вспомогательный ключ часть энергии дополнительного конденсатора, полученная им в начальной части этого этапа от магнитной энергии линейного несимметричного трансформатора. [Поликарпов А.Г., Сергиенко Е.Ф. Однотактные преобразователи напряжения в устройствах электропитания РЭА. - М.: Радио и связь, 1989, с.62, 80...84]. Недостатками данного способа являются несимметричность намагничивания трансформатора с постоянной составляющей тока, неполное формирование траектории и снижение потерь переключения в ключах, увеличенное обратное напряжение на выпрямительных диодах, значительно превышающее напряжение питания на выходе, и сложность выполнения многоканального преобразователя из-за индуктивного характера нагрузки выхода выпрямителя.

Основной технической задачей предложенного способа двухтактного несимметричного импульсного преобразования постоянного напряжения является максимальное использование трансформатора с передачей энергии без пауз при двухтактном симметричном перемагничивании его магнитопровода с исключением постоянной составляющей тока намагничивания, уменьшение потерь в трансформаторе, снижение обратного напряжения на выпрямительных диодах, формирование траектории и уменьшение потерь энергии ключей, повышение качества выходного напряжения и обеспечение возможности получения многоканального выхода.

Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом способе двухтактного несимметричного импульсного преобразования постоянного напряжения на этапе замкнутого состояния первого ключа производят увеличение магнитной энергии входного дросселя от энергии входа, а также передают часть энергии первого конденсатора через трансформатор с проходной индуктивностью, первый выпрямительный диод на первый накопительный конденсатор и выход, а на этапе разомкнутого состояния первого ключа от входа и входного дросселя увеличивают энергию первого конденсатора и передают энергию через трансформатор с проходной индуктивностью, второй выпрямительный диод на второй накопительный конденсатор и выход, куда также поступает через замкнутый второй ключ часть энергии второго конденсатора, полученная им в начальной части этого этапа от энергии входа и входного дросселя. При этом вводят определенные коммутационные задержки по управлению на поочередное переключение полупроводниковых приборов ключей для уменьшения потерь энергии и формирования траектории переключения этих полупроводниковых приборов при обмене энергиями проходной индуктивности трансформатора, в качестве которой используют индуктивность рассеяния трансформатора и дополнительную индуктивность на первичной или вторичной стороне, с собственными емкостями полупроводниковых приборов ключей и дополнительно подключенными к ним емкостями.

При этом энергия из источника питания потребляется непрерывно на обоих различных по длительности несимметричных этапах периода, энергии первого и второго конденсаторов колеблются относительно своих средних значений, у трансформатора - симметричный процесс перемагничивания без постоянной составляющей тока намагничивания и передача энергии без пауз с максимальным коэффициентом использования, соответствующем мостовому двухтактному преобразованию, напряжения на разомкнутых первом и втором ключах и выпрямительных диодах имеют трапецеидальную форму с плоской вершиной без выбросов, что обеспечивает снижение потерь и надежность ключей и диодов, а емкостный характер выхода выпрямителя обеспечивает возможность получения нескольких выходных каналов с хорошим согласованием.

Анализ известных технических решений показал, что предложенный способ двухтактного несимметричного импульсного преобразования постоянного напряжения, заключающийся в вышеуказанном поэтапном дозированном увеличении и передачи энергии входного дросселя, первого и второго конденсаторов с непрерывным потреблением ее от входа на обоих этапах периода при непрерывной без пауз передаче энергии через симметричный трансформатор с проходной индуктивностью и выпрямители к выходу, проявляет новые свойства, заключающиеся в повышении эффективности преобразования, надежности и качества электропитания и снижении массогабаритных показателей преобразователя. Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства, представляющего одну из возможностей реализации предложенного способа двухтактного несимметричного импульсного преобразования и регулирования постоянного напряжения.

На фиг.2 приведены эпюры напряжений и токов в различных узлах устройства с индексами, соответствующими их обозначению на фиг.1.

Предложенный способ реализован в устройстве, представленном на фиг.1. Устройство содержит выводы 1 для подсоединения входа - источника энергии, входной дроссель 2, подключенный к средней точке стойки ключей - первого 3 и второго 4, блок управления 11 с двумя выходами - первым 12 и вторым 13, соединенных с входами ключей соответственно, стойку конденсаторов первого 14 и второго 15, трансформаторного блока 16, стойку выпрямительных диодов первого 19 и второго 20 и стойку накопительных конденсаторов первого 21 и второго 22, подключенных к выходу 23 для подключения потребителя энергии. При этом ключи 3 и 4 соединены своими выходами последовательно, образуя стойку, и состоят из параллельно подключенных к выходам ключей полупроводникового прибора 5 (6), диода 7 (8) и конденсатора 9 (10) соответственно, причем вход ключа 3 (4) соединен с входом полупроводникового прибора 5 (6); а параллельно стойке ключей подключена стойка из двух последовательно соединенных конденсаторов - первого 14 и второго 15, при этом между средними точками стоек ключей 3, 4 и конденсаторов 14, 15 подключен вход трансформаторного блока 16, состоящий из трансформатора 17 и проходной индуктивности 18, которой является индуктивность рассеяния трансформатора и дополнительная индуктивность на первичной или вторичной стороне, а выход трансформаторного блока 16 включен между средними точками соединенных параллельно стойки последовательно соединенных выпрямительных диодов первого 19 и второго 20 и стойки последовательно соединенных накопительных конденсаторов первого 21 и второго 22, к которым подсоединены выводы выхода 23.

Преобразование напряжения осуществляется следующим образом. Блок управления 11 вырабатывает парафазные чередующиеся с небольшими коммутационными задержками t_з12 и t_з13 между срезом одного и фронтом другого прямоугольные импульсы напряжения U₁₂, U₁₃ с частотой преобразования и длительностью, которые определяются выбранным алгоритмом управления и законом обратной связи. Эти импульсы U₁₂, U ₁₃ поступают на входы силовых ключей 3, 4 и далее на входы полупроводниковых приборов 5, 6 (например МДП-транзисторов) соответственно, обеспечивая их поочередное переключение.

На первом этапе T₁ периодического процесса замкнут ключ 3 и разомкнут ключ 4. Происходит увеличение энергии входного дросселя 2 в цепи "вход 1 - дроссель 2 - ключ 3 - вход 1". Одновременно происходит передача части энергии первого конденсатора 14 через блок трансформатора 16 и первый выпрямительный диод 19 в первый накопительный конденсатор 21 и на выход 23 по цепи "первый конденсатор 14 - вход трансформаторного блока 16 - ключ 3 -первый конденсатор 14" и далее "выход трансформаторного блока 16 - первый выпрямительный диод 19 - первый накопительный конденсатор 21 - выход 23 - второй накопительный конденсатор 22 - выход трансформаторного блока 16". На этом этапе на входе трансформаторного блока 16 действует напряжение первого конденсатора 14, которое в соответствии с коэффициентом передачи К_ти трансформаторного блока 16 преобразуется в напряжение на первом накопительном конденсаторе 21.

На втором этапе Т₂ периодического процесса замкнут ключ 4 и разомкнут ключ 3. Происходит передача энергии входа 1 и части энергии входного дросселя 2 в первый конденсатор 14 по цепи вход 1 - дроссель 2 - вход блока трансформатора 16 - первый конденсатор 14 - вход 1 и через блок трансформатора 16 на выход по цепи "вход трансформаторного блока 16 - выход трансформаторного блока 16 - второй накопительный конденсатор 22 - второй выпрямительный диод 20 - первый накопительный конденсатор 21 - выход 23". Одновременно в первой половине этапа часть энергии входа 1 и входного дросселя 2 передаются через замкнутый ключ 4 во второй конденсатор 15 по цепи вход 1 - дроссель 2 - ключ 4 - второй конденсатор 15 - первый конденсатор 14 - вход 1, а во второй части этапа эта энергия из второго конденсатора 15 через ключ 4 передается через блок трансформатора 16 на выход по цепи второй конденсатор 15 -ключ 4 - вход трансформаторного блока 16 - выход трансформаторного блока 16 - второй накопительный конденсатор 22 - второй выпрямительный диод 20 - первый накопительный конденсатор 21 - выход 23. На этом этапе на входе трансформаторного блока 16 действует напряжение второго конденсатора 15, которое в соответствии с коэффициентом передачи К_ти трансформаторного блока 16 преобразуется в напряжение на втором накопительном конденсаторе 22.

За период процесса полученная от входа энергия преобразуется в энергию выхода в виде напряжения U₂₃, как суммы напряжений первого 21 и второго 22 накопительных конденсаторов, соответствующей в упрощенном виде через коэффициент передачи К_ти трансформаторного блока 16 сумме напряжений конденсаторов первого 14 и второго 15.

При предлагаемом способе преобразования и регулирования постоянного напряжения по коэффициенту заполнения периода K_з=t₁/(t₁+Т₂ ) передаточная характеристика в упрощенном виде в рабочей зоне имеет вид U₂₃/U₁=К_ти/(1-К _з), а при малых коэффициентах К_з под действием проходной индуктивности трансформаторного блока 16 через коэффициент передачи К_ти имеет свойство ограничения выходного напряжения и тока.

При различных по длительности несимметричных этапах t₁ и Т₂ процесса преобразования, задаваемых блоком управления 11 по закону регулирования, амплитуды индукции и тока намагничивания в магнитопроводе трансформатора 17 симметричны и пропорциональна величине К_з(1-К _з), при этом постоянная составляющая тока намагничивания I_17(м) равна нулю, а первичный I₁₇₍₁₎ и вторичный I₇₍₂₎ токи имеют вид двухполярных функций без скачков и разрывов. Обратные напряжения на выпрямительных диодах 19 и 20 равны напряжению выхода U₂₃, а напряжение на разомкнутых ключах 3 и 4 равно напряжению U₂₃/К _ти - сумме напряжений первого 14 и второго 15 конденсаторов. Уменьшение потерь энергии и формирование траектории при переключении полупроводниковых приборов ключей и улучшение качества преобразования напряжения обеспечивается задержкой фронта напряжения одного импульса управления U₁₂ (U₁₃) относительно среза напряжения другого импульса управления U₁₃ (U ₁₂).

В начале каждого этапа периода после запирания полупроводникового прибора 5 (6) ток предыдущего контура с ключом 3 (4) распределяется в средней точке стойки ключей по конденсаторам 9 и 10, изменяя их энергию - зарядку конденсатора 9 (10) и разрядку конденсатора 10 (9). При этом напряжения на ключах U₃ , U₄ изменяются по квазилинейному закону. Когда конденсатор 10 (9) полностью разрядится до нуля, а конденсатор 9 (10) - зарядится до напряжения стойки конденсаторов 15, 14; ток продолжает свой путь через диод 8 (7), ограничивая напряжение на ключе. Во время этой фазы этапа подается фронт импульса управления U₁₃ (U₁₂) и включение транзистора 6 (5) происходит при нуле напряжения (U₄, U₃).

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет реализовать предложенный способ, обеспечивающий преобразование постоянного напряжения с улучшенными эффективностью, надежностью и качеством электропитания.

Формула изобретения

Способ двухтактного несимметричного импульсного преобразования постоянного напряжения, в соответствии с которым на первом этапе периода периодического процесса преобразования, соответствующем замкнутому состоянию первого ключа и разомкнутому второго ключа, увеличивают энергию входного дросселя от энергии входа через указанный замкнутый первый ключ, кроме того, на указанном первом этапе часть энергии первого конденсатора через замкнутый первый ключ передается на вход трансформаторного блока, отличающийся тем, что на втором этапе периода периодического процесса преобразования, соответствующем разомкнутому состоянию первого ключа и замкнутому состоянию второго ключа, состоящих из параллельно включенных полупроводникового прибора, конденсатора и встречно-параллельного диода, предают энергию входа и часть энергии входного дросселя в первый конденсатор по цепи вход - входной дроссель - вход трансформаторного блока - первый конденсатор - вход, кроме того, в первой части указанного этапа энергию входа и часть энергии входного дросселя передают во второй конденсатор по цепи вход - входной дроссель - замкнутый второй ключ - второй конденсатор - первый конденсатор - вход, а во второй части указанного этапа часть энергии второго конденсатора передают через замкнутый второй ключ на вход трансформаторного блока, состоящего из трансформатора и проходной индуктивности, а на обоих этапах периода периодического процесса преобразования энергию с выхода трансформаторного блока передают через первый и второй выпрямительные диоды в первый и второй накопительные конденсаторы, соответственно, и на выход с формированием тока проходной индуктивностью, кроме того, между этапами периода периодического процесса преобразования вводят коммутационные задержки, в течение которых входные сигналы управления первым и вторым ключами соответствуют их разомкнутому состоянию, во время которых обеспечивают плавное изменение напряжений на их силовых выводах от величин, соответствующих предыдущему этапу периода процесса до соответствующих следующему этапу периода процесса, при зарядке и разрядке конденсаторов первого и второго ключей под действием энергии трансформаторного блока.

РИСУНКИ