способ преобразования постоянного напряжения в постоянное и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ преобразования постоянного напряжения в постоянное с помощью инвертора, содержащего ключевой элемент, трансформатор, первичная обмотка которого соединена через ключевой элемент с шинами источника питания и образует вместе с резонансным конденсатором резонансный контур, заключающийся в том, что открывают и закрывают ключевой элемент сигналом от источника управляющего сигнала, при открытом ключевом элементе накапливают энергию в первичной обмотке трансформатора, определяют полярность тока и напряжения первичной обмотки и запрещают подачу открывающего сигнала на ключевой элемент при полярности тока или напряжения, обратной полярности соответственно тока или напряжения первичной обмотки при открытом ключевом элементе, а также на этапе закрытого состояния ключевого элемента отдают накопленную в трансформаторе энергию в нагрузку путем выпрямления и фильтрации напряжения вторичной обмотки трансформатора, отличающийся тем, что после окончания отдачи накопленной в трансформаторе энергии в нагрузку при нулевом напряжении на первичной обмотке трансформатора скачкообразно уменьшают емкость резонансного конденсатора, а после окончания накопления энергии в трансформаторе при нулевом напряжении на первичной обмотке трансформатора скачкообразно восстанавливают первоначальное значение емкости резонансного конденсатора.

2. Устройство преобразования постоянного напряжения в постоянное, содержащее первый ключевой элемент, трансформатор, снабженный дополнительными обмотками, выпрямительный диод, конденсатор фильтра, выводы для подключения нагрузки, второй диод, первый формирователь, первый элемент И, датчик тока и второй конденсатор, вывод для подключения к источнику управляющего сигнала, причем один вывод первичной обмотки трансформатора соединен с плюсовой шиной источника питания через датчик тока, другой вывод с входом первого ключевого элемента и с катодом второго диода, анод которого соединен с минусовой шиной источника питания и выходом первого ключевого элемента, вывод управления которого соединен с выходом первого формирователя, вход которого соединен с выходом первого элемента И, первый вход которого соединен с началом первой дополнительной обмотки трансформатора, конец которой соединен с минусовой шиной источника питания, один вывод вторичной обмотки трансформатора соединен с анодом выпрямительного диода, катод которого соединен с первым выводом конденсатора фильтра и первым выводом для подключения нагрузки, второй вывод конденсатора фильтра и второй вывод для подключений нагрузки соединены с другим выводом вторичной обмотки трансформатора, отличающееся тем, что в устройство введены второй элемент И, второй формирователь, второй ключевой элемент, третий конденсатор, третий диод и элемент НЕ, причем плюсовая шина источника питания соединена с первым выводом второго конденсатора, выход датчика тока с вторым входом первого элемента И, третий вход которого соединен с выводом для подключения к источнику управления сигнала, выход элемента НЕ с первым входом второго элемента И, второй вход которого соединен с концом второй дополнительной обмотки трансформатора, начало которой соединено с входом первого ключевого элемента и с выходом второго ключевого элемента, вход которого соединен с вторым выводом второго конденсатора, первым выводом третьего конденсатора и катодом третьего диода, анод которого соединен с вторым выводом третьего конденсатора и с выходом второго ключевого элемента, управляющий вход которого соединен с выходом второго формирователя, вход которого соединен с выходом второго элемента И, при этом вход элемента НЕ подключен к последовательно соединенным первичной обмотке трансформатора и датчику тока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано во вторичных источниках питания.

Известен способ преобразования постоянного напряжения в постоянное (авт. св. СССР N 1513580, кл. H 02 M 3/335, 1989), включающий поочередное периодическое формирование управляющего сигнала, отпирающего и запирающего ключевой элемент, при открытии которого в индуктивном элементе накапливают энергию, а затем при закрытии которого передают накопленную энергию в нагрузку через выпрямитель.

Известно устройство преобразования постоянного напряжения в постоянное, содержащее ключевой элемент, трансформатор, выпрямитель, фильтр и элементы формирования управляющего сигнала для периодического открывания и закрывания ключевого элемента. При этом последовательно соединенные ключевой элемент и первичная обмотка трансформатора соединены соответственно с двумя шинами источника питания. Вторичная обмотка трансформатора через выпрямительный диод и емкостной фильтр соединена с нагрузкой.

Недостатками известных способа и устройства являются относительно низкий коэффициент полезного действия (КПД) и относительно большие электромагнитные помехи, возникающие при переключении ключевого элемента.

Наиболее близким к предлагаемому является способ преобразования постоянного напряжения в постоянное с помощью инвертора, содержащего ключевой элемент, трансформатор, первичная обмотка которого соединена через ключевой элемент с шинами источника питания и образует вместе с резонансным конденсатором резонансный контур (авт. св. СССР N 1288846, кл. H 02 M 3/335, 1987). При этом открывают и закрывают ключевой элемент сигналом от источника управляющего сигнала, при открытом ключевом элементе накапливают энергию в первичной обмотке трансформатора, определяют полярность тока и напряжения первичной обмотки и запрещают подачу открывающего cигнала на ключевой элемент при полярности тока или напряжения, обратной полярности соответственно тока или напряжения первичной обмотки при открытом ключевом элементе, а также на этапе закрытого состояния ключевого элемента отдают накопленную в трансформаторе энергию в нагрузку путем выпрямления и фильтрации напряжения вторичной обмотки трансформатора.

Известно также устройство (авт. св. СССР N 1288846, кл. Н 02 М 3/335, 1987), содержащее первый ключевой элемент, трансформатор, снабженный дополнительными обмотками, выпрямительный диод, конденсатор фильтра, выводы для подключения нагрузки, второй диод, первый формирователь, первый элемент И, датчик тока и второй конденсатор, вывод для подключения к источнику управляющего сигнала, причем один вывод первичной обмотки трансформатора соединен с плюсовой шиной источника питания через датчик тока, другой вывод первичной обмотки трансформатора соединен со входом первого ключевого элемента и с катодом второго диода, анод которого соединен с минусовой шиной источника питания и выходом первого ключевого элемента, вывод управления которого соединен с выходом первого формирователя, вход которого соединен с выходом первого элемента И, первый вход которого соединен с началом первой дополнительной обмотки трансформатора, конец которой соединен с минусовой шиной источника питания, один вывод вторичной обмотки трансформатора соединен с анодом выпрямительного диода, катод которого соединен с первым выводом конденсатора фильтра и первым выводом для подключения нагрузки, второй вывод конденсатора фильтра и второй вывод для подключений нагрузки соединены с другим выводом вторичной обмотки трансформатора.

Недостатками известных способа и устройства являются относительно низкий КПД и относительно большие помехи, возникающие при динамической работе ключевого элемента, который при коэффициенте заполнения импульсов менее 0,5 включается и выключается при ненулевых напряжениях и токах ключевого элемента и трансформатора.

Целью изобретения является повышение КПД и снижение помех способа и устройства преобразования постоянного напряжения.

Цель достигается тем, что способ обеспечивает включение ключевого элемента после полной отдачи в нагрузку накопленной в трансформаторе энергии при нулевом напряжении на ключевом элементе, для чего задерживают открывающий сигнал на выводе управления ключевого элемента. Кроме того, с той же целью в предлагаемом способе после окончания отдачи накопленной в трансформаторе энергии в нагрузку при нулевом напряжении на первичной обмотке трансформатора скачкообразно уменьшают емкость резонансного конденсатора, а после окончания накопления энергии в трансформаторе при нулевом напряжении на первичной обмотке трансформатора скачкообразно восстанавливают первоначальное значение емкости резонансного конденсатора.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Cпособ преобразования постоянного напряжения в постоянное с помощью инвертора, содержащего ключевой элемент, трансформатор, первичная обмотка которого соединена через ключевой элемент с шинами источника питания и образует вместе с резонансным конденсатором резонансный контур, заключается в том, что открывают и закрывают ключевой элемент сигналом от источника управляющего сигнала, при открытом ключевом элементе накапливают энергию в первичной обмотке трансформатора, определяют полярность тока и напряжения первичной обмотки и запрещают подачу открывающего сигнала на ключевой элемент при полярности тока или напряжения, обратной полярности соответственно тока или напряжения первичной обмотки при открытом ключевом элементе, а также на этапе закрытого состояния ключевого элемента отдают накопленную в трансформаторе энергию в нагрузку путем выпрямления и фильтрации напряжения вторичной обмотки трансформатора, после окончания отдачи накопленной в трансформаторе энергии в нагрузку при нулевом напряжении на первичной обмотке трансформатора скачкообразно уменьшают емкость резонансного конденсатора, а после окончания накопления энергии в трансформаторе при нулевом напряжении на первичной обмотке трансформатора скачкообразно восстанавливают первоначальное значение емкости резонансного конденсатора.

Для реализации указанного выше способа в устройство преобразования постоянного напряжения в постоянное, содержащее первый ключевой элемент, трансформатор, снабженный дополнительными обмотками, выпрямительный диод, конденсатор фильтра, выводы для подключения нагрузки, второй диод, первый формирователь, первый элемент И, датчик тока и второй конденсатор, вывод для подключения к источнику управляющего сигнала, причем один вывод первичной обмотки трансформатора соединен с плюсовой шиной источника питания через датчик тока, другой вывод первичной обмотки трансформатора соединен с входом первого ключевого элемента и с катодом второго диода, анод которого соединен с минусовой шиной источника питания и выходом первого ключевого элемента, вывод управления которого соединен с выходом первого формиpователя, вход которого соединен с выходом первого элемента И, первый вход которого соединен с началом первой дополнительной обмотки трансформатора, конец которой соединен с минусовой шиной источника питания, один вывод вторичной обмотки трансформатора соединен с анодом выпрямительного диода, катод которого соединен с первым выводом конденсатора фильтра и первым выводом для подключения нагрузки, второй вывод конденсатора фильтра и второй вывод для подключения нагрузки соединены с другим выводом вторичной обмотки трансформатора, введены второй элемент И, второй формирователь, второй ключевой элемент, третий конденсатор, третий диод и элемент НЕ, причем плюсовая шина источника питания соединена с первым выводом второго конденсатора, выход датчика тока соединен с вторым входом первого элемента И, третий вход которого соединен с выводом для подключения к источнику управляющего сигнала, выход элемента НЕ соединен с первым входом второго элемента И, второй вход которого соединен с концом второй дополнительной обмотки трансформатора, начало которой соединено с входом первого ключевого элемента и с выходом второго ключевого элемента, вход которого соединен со вторым выводом второго конденсатора, первым выводом третьего конденсатора и катодом третьего диода, анод которого соединен со вторым выводом третьего конденсатора и с выходом второго ключевого элемента, управляющий вход которого соединен с выходом второго формирователя, вход которого соединен с выходом второго элемента И, при этом вход элемента НЕ подключен к последовательно соединенным первичной обмотке трансформатора и датчику тока.

Технический результат предлагаемых способа и устройства его осуществления состоит в повышении КПД преобразования постоянного напряжения и в снижении электромагнитных помех, возникающих при работе устройства с коэффициентом заполнения импульсов менее 0,5. Как показали экспериментальные исследования, проведенные автором, по сравнению с известными аналогами и прототипом, КПД удается повышать на 7-10% Соответственно этому снижаются электромагнитные помехи.

На фиг.1 представлена электрическая принципиальная схема примера преобразования постоянного напряжения в постоянное; на фиг.2 временные диаграммы, поясняющие их работу.

U_си1 напряжение на выводах сток-исток ключевого элемента 1;

i_c1 ток стока элемента 1;

i_L2 ток через первичную обмотку трансформатора 2.

Устройство преобразования постоянного напряжения в постоянное содержит ключевой элемент 1, трансформатор 2 с первичной обмоткой 2.1, вторичной обмоткой 2.2, дополнительными обмотками 2.3 и 2.4, выпрямительный диод 3, конденсатор 4 фильтра, выводы для подключения нагрузки 5, второй диод 6, формиpователь 7, элемент И 8, датчик 9 тока, второй конденсатор 10, второй элемент И 11, второй формирователь 12, второй ключевой элемент 13, третий конденсатор 14, третий диод 15, вывод для подключения к источнику управляющего сигнала 16 и элемент НЕ 17.

Дополнительная обмотка 2.3 в соответствии с описанием операций способа выполняет функции датчика полярности напpяжения первичной обмотки 2.1 трансформатора, соответственно датчик тока 9 выполняет функции датчика полярности тока первичной обмотки 2.1 трансформатора.

Начала всех обмоток на фиг.1 обозначены точкой. Шины источника питания обозначены: плюсовая +Е, минусовая -Е.

Один вывод первичной обмотки 2.1 трансформатора соединен о плюсовой шиной источника питания +E через датчик тока 9, другой вывод первичной обмотки 2.1 трансформатора соединен со входом первого ключевого элемента 1 и с катодом второго диода 6, анод которого соединен с минусовой шиной источника питания -Е и выходом первого ключевого элемента 1, вывод управления которого соединен с выходом первого формирователя 7, вход которого соединен с выходом первого элемента И 8, первый вход которого соединен с началом первой дополнительной обмотки 2.3 трансформатора, конец которой соединен с минусовой шиной источника питания -Е, один вывод вторичной обмотки 2.2 трансформатора соединен с анодом выпрямительного диода 3, катод которого соединен с первым выводом конденсатора фильтра 4 и первым выводом для подключения нагрузки 5, второй вывод конденсатора фильтра и второй вывод для подключения нагрузки соединены с другим выводом вторичной обмотки 2.2 трансформатора, плюсовая шина источника питания +E соединена с первым выводом второго конденсатора 10, выход датчика тока 9 первичной обмотки трансформатора соединен с вторым входом первого элемента И 8, третий вход которого соединен с выводом для подключения к источнику управляющего сигнала 16, выход элемента НЕ 17 соединен с первым входом второго элемента И 11, второй вход которого соединен с концом второй дополнительной обмотки 2.4 трансформатора, начало которой соединено с входом первого ключевого элемента и с выходом второго ключевого элемента 13, вход которого соединен со вторым выводом второго конденсатора 10, первым выводом третьего конденсатора 14 и катодом третьего диода 15, анод которого соединен со вторым выводом третьего конденсатора 15 и с выходом второго ключевого элемента 13, управляющий вход которого соединен с выходом второго формиpователя 12, вход которого соединен с выходом второго элемента И 11, элемент НЕ 17 входом подключен к последовательно соединенным первичной обмотке 2.1 трансформатора и датчику тока 9.

В качестве ключевых элементов 1 и 13 могут быть использованы различные управляемые элементы, удовлетворяющие требуемым электрическим и другим техническим параметрам, например, управляемые тиристоры, транзисторы и т.п. В примере использованы (фиг.1) в качестве ключевых элементов 1 и 13 энергоэкономичные полевые транзисторы, позволяющие получить наивысший эффект технического результата изобретения. В этом случае в качестве входа, выхода и управляющего входа ключевых элементов 1 и 13 используются соответственно сток, исток и затвор полевых транзисторов.

В качестве датчика тока 9 могут быть также использованы различные схемотехнические решения: трансформаторы тока, нелинейные элементы, обычные резисторы и т.п. В примере (фиг.1) использовано близкое к оптимальному схемотехническое решение по построению датчика тока 9: вариант датчика 9 тока с использованием трансформатора тока с первичной обмоткой 9.1 и вторичной обмоткой 9.2, транзистора 9.3, резисторов 9.4 и 9.5.

Все другие элементы устройства являются стандартными широко используемыми в промышленности.

Cпособ осуществляют следующим образом.

На шины +Е, -Е подают входное напряжение. С помощью сигналов трех обратных связей, поступающих из резонансного контура (элементы 2, 9, 10, 14 и др. ) и с вывода для подключения к источнику управляющего сигнала на соответствующие входы элемента И 8 и далее через формирователь 7 на управляющий вход ключевого элемента 1, формируют периодический отпирающий и запирающий этот элемент управляющий сигнал. При открытом ключевом элементе 1 с помощью протекающих через этот элемент и обмотку 2.1 на интервале времени t₁-t₂ токов i_c1 и i_с2 (фиг.2) накапливают в указанной обмотке до заданного значения индуктивную энергию. В момент времени t₂ источником управляющего сигнала 16 через элементы (8 и 7) на управляющем входе элемента 1 формируют запирающий управляющий сигнал (на фиг.2 Вход 3 элемента И 8). В результате зарывают ключевой элемент 1, обрывают ток i_c1 и на интервале времени t₄-t₅ передают полностью накопленную энергию из обмотки 2.1 через обмотку 2.2, выпрямитель (диод 3) и фильтр (конденсатор 4) в нагрузку. При этом отпирающий управляющий сигнал на ключевом элементе 1 задерживают тем, что блокируют его формирование с помощью другой обратной связи, передающей от коллектора транзистора 9.3 на интервале времени t₅-t₈ на второй вход элемента И 8, запрещающий управляющий сигнал. Тем же целям при более качественном управлении служит и третья обратная связь, действующая через вторую вторичную обмотку 2.3 на первом входе элемента И 8.

После полной отдачи энергии из обмотки 2.1 в нагрузку в момент времени t₆ скачкообразно уменьшают результирующую емкость резонансного контура (на фиг.2 эпюра С_p) путем разблокирования конденсатора 14 закрывающимся ключевым элементом 13 при снизившемся напряжении на обмотке 2.4, что обеспечивает запирание элемента 13 чрез элементы 11 и 12. Тем же целям при более качественном управлении служит элемент НЕ 17, который входом подключен к первичной обмотке 2.1. При этом конденсаторы 14 и 10 соединяются в последовательную цепь. В момент времени t₃ скачком восстанавливают результирующую емкость путем исключения из работы конденсатора 14 открывшимся диодом 15.

Устройство работает следующим образом.

С учетом уже раскрытых моментов функционирования устройства в предыдущем разделе необходимо отметить дополнительно некоторые неупомянутые там особенности его работы.

После подачи входного напряжения устройство оказывается в случайной фазе динамического процесса. Пусть для определенности оно оказалось в состоянии момента t₁, когда на управляющем входе ключевого элемента 1 (на затворе полевого транзистора) присутствует отпирающий его потенциал, чему соответствует совпадение логических уровней на всех трех входах элемента И 8 (фиг.2).

При открытом ключевом элементе 1 напряжение на его выводах сток-исток (U_cи1 на фиг. 2) мало, а токи стока (i_c1) и обмотки 2.1 (i₁₂) нарастают по линейному закону (интервал t₁-t₂ на фиг.2).

В момент времени t₂ о выводе для подключения источника управляющего сигнал 16 поступает запрещающий логический уровень (логический ноль). При этом, несмотря на уровень логических единиц на двух других входах элемента И 8 (от обмотки 2.3 и от коллектора транзистора 9.3), ключевой элемент 1 закрывается.

С этого момента ток i₁₂ идет по цепи: обмотка 2.1 диод 15 - конденсатор 10 обмотка 9.1.

В момент времени t₄ открывается диод 3 выпрямителя и энергия из обмотки 2.1 через обмотку 2.2 на интервале времени t₄-t₅ полностью передается в нагрузку и конденсатор 4 фильтра.

На интервале времени t₃-t₆ за счет наведенного напряжения в обмотке 2.4 через элементы 11 и 12 открывается второй ключевой элемент 13, через который разряжается конденсатор 10 на обмотку 2.1 трансформатора 2, начиная с момента t₅ после полной отдачи энергии из обмотки 2.1 в нагрузку.

Начиная с момента времени t₅, на коллекторе открытого транзистора 9.3 формируется запрещающий (уровень логического нуля) сигнал, запрещающий отпирание ключевого элемента 1.

В момент времени t₆ конденсатор 10 полностью передает свою энергию в обмотку 2.1. Напряжение на обмотке 2.4 приближается к нулю и через элементы 11 и 12 ключевой элемент 13 запирается, разблокируя конденсатор 14, в результате чего результирующая емкость резонансного контура скачком уменьшается (конденсаторы 10 и 14 соединяются последовательно).

Далее на интервале времени t₆-t₇ ток, продолжая течь в ту же сторону, заряжает уменьшенную емкость резонансного контура. В момент времени t₇ напряжение U_cи1 станет равным нулю и далее до момента времени t₈ будет отрицательным за счет падения напряжения на открытом диоде 6. В момент времени t₈ ток через обмотку 2.1 станет равным нулю, после чего прекратится запрет с коллектора транзистора 9.3 и вновь откроется ключевой элемент 1, и описанный выше пресс работы повторится.

Положительный эффект предлагаемых способа и устройства состоит в повышении КПД преобразования напряжения при уменьшении электромагнитных помех. Это достигается за счет включения и выключения ключевого элемента 1 при нулевом напряжении U_си1.