двухтактный преобразователь напряжения

Формула изобретения

Двухтактный преобразователь напряжения, содержащий трансформатор с двумя первичными обмотками, первые разноименные концы которых объединены и подключены к первому выводу источника питания, а вторые разноименные концы через управляемые ключевые элементы, зашунтированные диодами обратного тока, подключены ко второму выводу этого источника, и вторичными обмотками, связанными с нагрузками переменного и постоянного тока, а также два защитных диода и два накопительных конденсатора, отличающийся тем, что он снабжен двумя разрядными цепочками из последовательно включенных разрядного диода и разрядной обмотки, по числу витков равной числу витков каждой первичной обмотки, причем разноименные концы разрядных обмоток соединены с одноименными электродами разрядных диодов, защитные диоды и накопительные конденсаторы соединены попарно в две защитные цепочки, каждая из которых подключена параллельно одной из первичных обмоток, одноименные электроды защитных диодов объединены и подключены к первому выводу источника питания, а концы каждой из разрядных цепочек подключены между вторым выводом источника питания и точкой соединения конденсатора и защитного диода одной из защитных цепочек.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники, в частности к силовой преобразовательной технике, и может быть использовано при построении как конверторов, так и инверторов.

Известен двухтактный преобразователь напряжения, описанный в книге Электронная техника в автоматике // Сб. статей под ред. Ю.И.Конева. Выпуск 16. - М.: Советское радио, стр.101, рис.1. Он содержит четыре ключевых элемента, выполненных на транзисторах, соединенных по мостовой схеме и зашунтированных диодами обратного тока, и согласующий трансформатор. Для снятия перенапряжений на ключевых элементах здесь используются 4 защитные цепочки из последовательно соединенных конденсатора и диода, зашунтированного резистором. Каждая из этих защитных цепочек подключается параллельно одному из ключевых элементов.

Недостатком этого решения являются повышенные потери мощности из-за того, что, во-первых, в каждый момент времени последовательно включены два ключевых элемента, а во-вторых, энергия, накапливаемая в процессе работы в конденсаторах защитных цепочек, рассеивается в резисторах этих цепочек.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту изобретения является двухтактный преобразователь по нулевой схеме, описанный в журнале «Практическая силовая электроника», 2005, №17, стр.6. Он содержит трансформатор, у которого две первичные обмотки одними разноименными концами объединены и подключены к первому выводу источника постоянного напряжения. Другие разноименные концы этих обмоток через управляемые ключевые элементы подключены ко второму выводу этого источника. Для снятия перенапряжений на ключевых элементах в этом преобразователе используется схема, содержащая два диода и два накопительных конденсатора. Конденсаторы соединены последовательно и включены между выводами источника питания, диоды соединены встречно последовательно и включены между разноименными концами первичных обмоток трансформатора, а точки соединения конденсаторов и диодов объединены. Для разряда накопительных конденсаторов используется рекуператор - устройство, возвращающее накопленную в конденсаторах энергию в источник питания.

Недостатком этого преобразователя является относительная сложность из-за наличия рекуператора, а также недостаточно высокий КПД из-за потерь мощности в этом рекуператоре.

Целью настоящего изобретения является устранение этого недостатка, то есть упрощение и повышение КПД.

Поставленная цель достигается тем, что в известный двухтактный преобразователь напряжения, содержащий трансформатор, у которого две первичные обмотки первыми своими разноименными концами объединены и подключены к первому выводу источника питания, вторыми разноименными концами через управляемые ключевые элементы подключены ко второму выводу этого источника, а вторичные обмотки связаны с нагрузками переменного и постоянного тока, а также два защитных диода и два накопительных конденсатора, дополнительно введены две разрядные цепочки из последовательно включенных разрядного диода и разрядной обмотки, причем разноименные концы разрядных обмоток соединены с одноименными электродами разрядных диодов. Разрядные обмотки имеют равное число витков с первичными обмотками. Защитные диоды и накопительные конденсаторы соединены попарно в две защитные цепочки, каждая из которых подключена параллельно одной из первичных обмоток, причем одноименные электроды защитных диодов объединены и подключены к первому выводу источника питания. Концы каждой из разрядных цепочек подключены между вторым выводом источника питания и точкой соединения конденсатора и защитного диода одной из защитных цепочек.

Существо технического решения поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная электрическая схема силой части преобразователя, где обозначено:

1 - трансформатор,

2, 3 - первичные обмотки трансформатора,

4 - положительный вывод источника питания,

5, 6 - управляемые ключевые элементы,

7, 8 - диоды обратного тока,

9 - отрицательный вывод источника питания,

10, 12 - защитные конденсаторы,

11, 13 - защитные диоды,

14, 15 -разрядные обмотки трансформатора,

16, 17 - разрядные диоды,

18, 20 - вторичные обмотки трансформатора,

19 - нагрузка переменного тока,

21 - нагрузка постоянного тока,

22 - выпрямитель,

23 - сглаживающий дроссель,

24 - сглаживающий конденсатор.

Преобразователь содержит трансформатор 1 с двумя первичными обмотками 2, 3, соединенными согласно последовательно. Точка соединения первых разноименных концов подключена к положительному выводу 4 источника питания. Вторые концы обмоток 2, 3 через управляемые ключевые элементы 5, 6, выполненные, например, в виде транзисторов, зашунтированных диодами обратного тока 7, 8, соответственно, связаны с отрицательным выводом 9 источника питания. Параллельно первичной обмотке 2 подключена первая защитная цепочка из последовательно соединенных накопительного конденсатора 10 и защитного диода 11, а параллельно первичной обмотке 3 подключена вторая аналогичная защитная цепочка из накопительного конденсатора 12 и защитного диода 13, причем, катоды диодов 11 и 13 объединены и подключены к положительному выводу 4. К точке соединения конденсатора 10 и анода диода 11 подключен один конец разрядной обмотки 14, другой конец которой соединен с катодом разрядного диода 16. Один конец разрядной обмотки 15 подключен к точке соединения конденсатора 12 с анодом диода 13, а второй ее конец соединен с катодом разрядного диода 17. Обмотка 14 и диод 16 образуют первую разрядную цепочку, а разрядные обмотка 15 и диод 17 образуют вторую разрядную цепочку. Разрядную обмотку 14 включают встречно с первичной обмоткой 2 (при обходе по контуру, включающему в себя конденсатор 10), а разрядную обмотку 15 - встречно с обмоткой 1 (при обходе по контуру, включающему в себя конденсатор 12).

При работе преобразователя в режиме инвертора используется вторичная обмотка 18, нагруженная на нагрузку переменного тока 19, а в режиме конвертора используется вторичная обмотка 20, нагруженная на нагрузку постоянного тока 21 через выпрямитель 22 с выходным сглаживающим фильтром на дросселе 23 и конденсаторе 24. В общем случае двухтактный преобразователь может одновременно работать на эти два типа нагрузок.

Рассмотрим работу преобразователя: пусть, например, в открытом состоянии находится ключевой элемент 5, и через него и первичную обмотку 2 протекает ток, равный сумме тока намагничивания трансформатора и приведенного тока нагрузки. По истечении заданного интервала времени, определяемого частотой переключения ключевых элементов 5, 6, на ключевой элемент 5 подают запирающий импульс, и он переходит в закрытое состояние. К моменту запирания ключевого элемента 5 в индуктивности рассеяния первичной обмотки 2 запасается энергия, величина которой пропорциональна значению этой индуктивности и квадрату тока через нее.

При отсутствии защитных мер эта энергия выделилась бы на ключевом элементе 5 в виде большого импульса перенапряжения, приводящего к его пробою и выходу из строя. Устранение этого аварийного режима обеспечивает защитная цепочка из конденсатора 10 и диода 11. Благодаря ей накопленная в индуктивности рассеяния энергия передается в конденсатор 10 по цепи: 2-10-11-2. К этому моменту времени конденсатор 10 заряжен до напряжения источника питания за вычетом из него падения напряжения на ключевом элементе 5. В результате перекачки энергии индуктивности рассеяния обмотки 2 в конденсатор 10 напряжение на нем возрастает на величину, пропорциональную величине этой энергии и обратно пропорциональную значению емкости конденсатора.

Если бы не было цепочки из разрядной обмотки 14 трансформатора 1 и разрядного диода 16, то непрерывная подкачка конденсатора 10 дополнительной энергией при каждой коммутации ключевого элемента 5 приводила бы к росту напряжения на нем до аварийных значений. Наличие цепочки 14, 16 предотвращает это нежелательное накопление энергии. Через нее избыточная энергия возвращается в источник питания.

Аналогичные процессы происходят и в другой симметрично расположенной части преобразователя, включающей в себя ключевой элемент 6, защитную цепочку 11, 13 и разрядную цепочку 15, 17.

Напряжение на защитных конденсаторах 10, 12 колеблется между двумя незначительно отличающимися между собой уровнями. Первоначально до меньшего уровня напряжения конденсаторы 10 и 12 заряжаются через защитные диоды 11 и 13, соответственно, следующим образом: конденсатор 10 заряжается от напряжения на обмотке 2 с полярностью, показанной в скобках, когда открыт ключевой элемент 6, а конденсатор 12 - от напряжения на обмотке 3 при полярности на ней, показанной без скобок, когда открыт ключевой элемент 5. Больший уровень напряжения на конденсаторах формируется после размыкания соответствующего ключевого элемента, когда накопленная в индуктивности рассеяния первичных обмоток энергия передается соответствующему конденсатору. Процесс передачи конденсатору энергии сопровождается появлением на ключевом элементе короткого импульса с максимальным значением, практически равным удвоенному значению напряжения источника питания.

Снижение напряжения на конденсаторах до меньшего уровня происходит с момента отпирания ключевого элемента, к которому этот конденсатор подключен. Например, при отпирании ключевого элемента 5 происходит частичный разряд конденсатора 10 через элементы 10-5-16-14-10. Уровень разряда ограничивается встречной ЭДС обмотки 2, имеющей полярность, показанную без скобок на чертеже.

Дополнительные потери в данном решении определяются практически только потерями в защитных 11, 13 и разрядных 16, 17 диодах, которые незначительны, так как действующее значение тока через них на порядок меньше токов через ключевые элементы.

Таким образом, предложенное решение простыми средствами, гарантированно и с высоким КПД снимает перенапряжения на ключевых элементах преобразователя. Это значительно расширяет область целесообразного применения такой схемы преобразователя.