Регулируемый понижающий преобразователь постоянного напряжения

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано в источниках электропитания. Регулируемый понижающий преобразователь постоянного напряжения содержит входной, выходной и общий выводы для подключения соответственно источника постоянного напряжения и нагрузки, n параллельно подключенных к выходным выводам цепочек. Каждая цепочка состоит из последовательно соединенных разрядного диода, конденсатора и управляемого разрядного ключа. Преобразователь содержит также (n-1) зарядных диодов, каждый из которых включен между разноименными выводами конденсаторов соответствующих смежных цепочек, управляемый зарядный ключ, включенный между входным выводом и зарядной шиной, управляемые регулирующие элементы, каждый из которых включен параллельно разрядному диоду соответствующей цепочки, и две группы коммутирующих элементов, причем каждый коммутирующий элемент первой группы включен параллельно разрядному ключу соответствующей цепочки, а каждый коммутирующий элемент второй группы одним из выводов подключен к общей точке соединения конденсатора и разрядного ключа соответствующей цепочки, а другой вывод коммутирующего элемента второй группы первой цепочки соединен с зарядной шиной. В преобразователь введены (n-1) дополнительных управляемых зарядных ключей (6-10) и шин (12-17), причем дополнительные зарядные ключи включены каждый между входным выводом (11) и соответствующей дополнительной зарядной шиной, а другой вывод каждого последующего коммутирующего элемента второй группы соединен с соответствующей ему дополнительной зарядной шиной. Технический результат - снижение уровня импульсной помехи благодаря равномерному распределению импульсов зарядного тока по периоду их следования. 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано в источниках и системах вторичного электропитания.

Известен регулируемый понижающий преобразователь постоянного напряжения (А.с. №987758, СССР, Н02М 3/35), содержащий n цепочек, каждая из которых состоит из последовательно соединенных разрядного ключа конденсатора и разрядного диода, (n-1) из которых соединены параллельно и подключены к выходным выводам (n-1) зарядного диода, включенных между разноименными выводами конденсаторов смежных цепочек, зарядный ключ, включенный между конденсатором первой цепочки и входным выводом, а также регулирующий транзистор, включенный между разрядным диодом последней n цепочки и выходным выводом преобразователя.

Данный преобразователь обладает широким диапазоном регулирования выходного напряжения.

Однако его коэффициент полезного действия сравнительно невысок вследствие потерь мощности на активном сопротивлении регулирующего транзистора. Другим его недостатком является высокий уровень кондуктивной помехи, создаваемой импульсами зарядного тока на выходных зажимах входного источника постоянного напряжения.

Кроме того, известен регулируемый понижающий преобразователь постоянного напряжения (А.с. №1691922, СССР, Н02М 3/18), являющийся прототипом предлагаемого изобретения и содержащий входной, выходной и общий выводы для подключения соответственно источника постоянного напряжения и нагрузки, n параллельно подключенных к выходным выводам цепочек, каждая из которых состоит из последовательно соединенных разрядного диода, конденсатора и управляемого разрядного ключа, (n-1) зарядных диодов, каждый из которых включен между разноименными выводами конденсаторов соответствующих смежных цепочек, управляемый зарядный ключ, включенный между входным выводом и зарядной шиной, а также управляемые регулирующие элементы, каждый из которых включен параллельно разрядному диоду соответствующей цепочки, и две группы коммутирующих элементов, причем каждый коммутирующий элемент первой группы включен параллельно управляемому разрядному ключу соответствующей цепочки, а каждый коммутирующий элемент второй группы одним из выводов подключен к общей точке соединения конденсатора и разрядного ключа соответствующей цепочки, а другой вывод коммутирующего элемента второй группы первой цепочки соединен с зарядной шиной.

Недостатком указанного преобразователя является высокий уровень кондуктивной импульсной помехи из-за синфазности и, следовательно, суммирования амплитуд импульсов зарядных токов однотипных преобразователей, входящих в его состав.

Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение уровня кондуктивной импульсной помехи, создаваемой преобразователем вследствии импульсного характера тока, потребляемого им от первичного источника постоянного напряжения.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в регулируемый понижающий преобразователь постоянного напряжения, содержащий входной, выходной и общий выводы для подключения соответственно источника постоянного напряжения и нагрузки, n параллельно подключенных к выходным выводам цепочек, каждая из которых состоит из последовательно соединенных разрядного диода, конденсатора и управляемого разрядного ключа, (n-1) зарядных диодов, каждый из которых включен между разноименными выводами конденсаторов соответствующих смежных цепочек, управляемый зарядный ключ, включенный между входным выводом и зарядной шиной, а также управляемые регулирующие элементы, каждый из которых включен параллельно разрядному диоду соответствующей цепочки, и две группы коммутирующих элементов, причем каждый коммутирующий элемент первой группы включен параллельно управляемому разрядному ключу соответствующей цепочки, а каждый коммутирующий элемент второй группы одним из выводов подключен к общей точке соединения конденсатора и разрядного ключа соответствующей цепочки, а другой вывод коммутирующего элемента второй группы первой цепочки соединен с зарядной шиной, введены (n-1) дополнительных управляемых зарядных ключей и дополнительных зарядных шин, причем дополнительные управляемые зарядные ключи включены, каждый, между входным выводом и соответствующей дополнительной зарядной шиной, а другой вывод каждого последующего коммутирующего элемента второй группы соединен с соответствующей ему дополнительной зарядной шиной.

На чертеже приведена структурная схема предлагаемого регулируемого понижающего преобразователя постоянного напряжения.

Он содержит n цепочек, состоящих из последовательно соединенных разрядного диода 1, конденсатора 2 и разрядного ключа 3. Отрицательный вывод конденсатора 2 предыдущей цепочки через зарядный диод 4 соединен с положительным выводом конденсатора 2 последующей цепочки. Управляемый зарядный ключ 5 и дополнительные управляемые зарядные ключи (6-10) соединяют входной вывод преобразователя с зарядной шиной 12 и соответствующими дополнительными зарядными шинами (13-17). Параллельно разрядным диодам 1 и управляемым разрядным ключам 3 цепочек подключены соответственно управляемые регулирующие элементы (18-22) и коммутирующие элементы первой группы (23-28). Вторая руппа коммутирующих элементов (29-34) соединяет зарядную шину 12 и дополнительные зарядные шины (13-17) с общей точкой 35 соединения конденсатора и разрядного ключа соответствующих цепочек. Цепочки подсоединены параллельно между общим 36 и выходным 37 выводами преобразователя.

Предлагаемый преобразователь работает следующим образом.

Зарядные ключи (5-10) работают поочередно с одинаковой частотой f=1/T в режиме меандра со скважностью 2 и сдвигом относительно друг друга на величину Т/n.

При этом благодаря определенному порядку коммутации коммутирущих элементов (18-22) и (29-34) он разбивается на N однотипных преобразователей, подключенных параллельно нагрузке и содержащих каждый по n1 цепочек. Например, при n=6, замыкая коммутирующие элементы (19, 29), (21, 31) и (33), получаем три однотипных преобразователя, содержащих каждый по две цепочки, т.е. N=3, n1=2. Каждый из однотипных преобразователей работает по принципу периодического (с периодом Т) последовательного подзаряда его конденсаторов через соответствующий управляемый зарядный ключ (5-10) от первичного источника постоянного напряжения Е с их последующим параллельным разрядом на нагрузку. В результате уровень выходного напряжения оказывается равным Е/n1. При этом благодаря работе зарядных ключей (5-10) со сдвигом Т/6 и подключению однотипных преобразователей к зарядным шинам (12, 14, 16) обеспечивается равномерное распределение по периоду коммутации Т трех одинаковых экспоненциальных импульсов зарядных токов со сдвигом относительно друг друга на величину Т/3, потребляемых от первичного источника постоянного напряжения Е. В результате достигается примерно семикратное уменьшение уровня мощности кондуктивной импульсной помехи [Л.Г.Зотов. Анализ импульсных помех в бестрансформаторных системах вторичного электропитания. Научный вестник НГТУ, №1 (19), 2005]. Возможен другой вариант реализации структуры преобразователя, при котором N=2, a n1=3. Для этого достаточно замкнуть коммутирующие элементы (20, 29) и (32). В данном случае подключение однотипных преобразователей к зарядным шинам 12 и 15 обеспечивает сдвиг во времени импульсов зарядных токов на величину Т/2, а выигрыш по уровню мощности кондуктивной импульсной помехи в 3,24 раза.

Главная особенность предлагаемого преобразователя по сравнению с прототипом заключается в том, что с целью уменьшения уровня кондуктивной импульсной помехи экспоненциальные импульсы зарядных токов, потребляемых однотипными преобразователями от источника Е, сдвинуты по времени относительно друг друга на величину Т/N, благодаря чему достигается их равномерное распределение по периоду Т.

Равномерное потребление энергии однотипными преобразователями обеспечивается поочередной работой ключей (5-10) в режиме меандра со скважностью 2 и временным сдвигом относительно друг друга на величину Т/n.

Преобразователь способен изменять свою структуру изменением целых чисел N и n1 за счет коммутации элементов (18-22) и (29-34). При этом процесс регулирования выходного напряжения и тока преобразователя осуществляется соответственно изменением числа цепочек в однотипных преобразователях n1 и числа однотипных преобразователей N.

В прототипе временные сдвиги отсутствуют, аналогичные зарядные ключи работают синфазно, амплитуды импульсов зарядных токов однотипных преобразователей суммируются, обеспечивая высокий уровень кондуктивной импульсной помехи. В предлагаемом регулируемом преобразователе постоянного напряжения импульсы зарядных токов однотипных преобразователей распределены по периоду их следования равномерно, благодаря чему и достигается существенное уменьшение уровня кондуктивной импульсной помехи.

Кроме того, благодаря увеличению в N раз частоты импульсной помехи и пульсации выходного напряжения не только упрощается борьба с ней путем применения малогабаритных фильтров, но имущественно снижается величина емкости сглаживающего конденсатора 2, включенного параллельно нагрузке, что улучшает массогабаритные показатели предлагаемого преобразователя.

Регулируемый понижающий преобразователь постоянного напряжения, содержащий входной, выходной и общий выводы для подключения соответственно источника постоянного напряжения и нагрузки, n параллельно подключенных к выходным выводам цепочек, каждая из которых состоит из последовательно соединенных разрядного диода, конденсатора и управляемого разрядного ключа, (n-1) зарядных диодов, каждый из которых включен между разноименными выводами конденсаторов соответствующих смежных цепочек, управляемый зарядный ключ, включенный между входным выводом и зарядной шиной, а также управляемые регулирующие элементы, каждый из которых включен параллельно разрядному диоду соответствующей цепочки, и две группы коммутирующих элементов, причем каждый коммутирующий элемент первой группы включен параллельно управляемому разрядному ключу соответствующей цепочки, а каждый коммутирующий элемент второй группы одним из выводов подключен к общей точке соединения конденсатора и разрядного ключа соответствующей цепочки, а другой вывод коммутирующего элемента второй группы первой цепочки соединен с зарядной шиной, отличающийся тем, что в него введены (n-1) дополнительных управляемых зарядных ключей и дополнительных зарядных шин, причем дополнительные управляемые зарядные ключи включены каждый между входным выводом и соответствующей дополнительной зарядной шиной, а другой вывод каждого последующего коммутирующего элемента второй группы соединен с сответствующей ему дополнительной зарядной шиной.