зарядно-разрядное устройство

Формула изобретения

Зарядно-разрядное устройство, содержащее первый и второй конденсаторы фильтра, первый, второй и третий МДП-транзисторы, первый, второй и третий диоды, при этом сток первого МДП-транзистора и катод первого диода подсоединены к первому выводу первого конденсатора фильтра, исток первого МДП-транзистора и анод первого диода соединены с первым выводом дросселя, стоком второго МДП-транзистора и катодом второго диода, исток второго МДП-транзистора и анод второго диода подсоединены ко вторым выводам первого и второго конденсаторов фильтра, аноду третьего диода и общему проводу схемы, исток третьего МДП-транзистора подключен ко второму выводу дросселя и катоду третьего диода, а его сток соединен с первым выводом второго конденсатора фильтра, при этом выводы первого конденсатора фильтра предназначены для подключения аккумуляторной батареи, а выводы второго конденсатора фильтра для подключения источника питания и нагрузки, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены четвертый МДП-транзистор и четвертый диод, сток и анод которых подключены ко второму выводу дросселя, исток четвертого МДП-транзистора подключен к общему проводу схемы, а катод четвертого диода - к стоку третьего МДП-транзистора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам электропитания (СЭП) автономных объектов, использующих в качестве накопителей энергии аккумуляторные батареи.

Для построения СЭП со стабилизированной шиной электропитания автономных объектов с использованием аккумуляторной батареи с целью обеспечения высоких значений кпд и снижения габаритов и массы зарядно-разрядное устройство целесообразно выполнять с использованием однотактных схем непосредственного преобразования энергии с промежуточным накоплением энергии в дросселе.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является принятое за прототип зарядно-разрядное устройство [1], содержащее первый и второй конденсаторы фильтра, первый, второй и третий МДП-транзисторы, первый, второй и третий диоды, при этом сток первого МДП-транзистора и катод первого диода подсоединены к первому выводу первого конденсатора фильтра, исток первого МП-транзистора и анод первого диода соединены с первым выводом дросселя, стоком второго МДП-транзистора и катодом второго диода, исток второго МДП-транзистора и анод второго диода подсоединены ко вторым выводам первого и второго конденсаторов фильтра, аноду третьего диода и общему проводу схемы, исток третьего МДП-транзистора подключен ко второму выводу дросселя и катоду третьего диода, а его сток соединен с первым выводом второго конденсатора фильтра, при этом выводы первого конденсатора фильтра предназначены для подключения аккумуляторной батареи, а выводы второго конденсатора фильтра - для подключения источника питания и нагрузки.

Однако такое зарядно-разрядное устройство предназначено для работы в системе, где напряжение аккумуляторной батареи должно быть всегда выше напряжения шины.

Задачей, на решение которой направлено создание предлагаемого устройства, является расширение функциональных возможностей зарядно-разрядного устройства для обеспечения работы аккумуляторной батареи, конечное разрядное напряжение которой ниже, чем напряжение шины, а конечное зарядное напряжение выше напряжения шины, а также повышение кпд.

Задача решается тем, что в зарядно-разрядное устройство, содержащее первый и второй конденсаторы фильтра, первый, второй и третий МДП-транзисторы, первый, второй и третий диоды, при этом сток первого МДП-транзистора и катод первого диода подсоединены к первому выводу первого конденсатора фильтра, исток первого МДП-транзистора и анод первого диода соединены с первым выводом дросселя, стоком второго МДП-транзистора и катодом второго диода, исток второго МДП-транзистора и анод второго диода подсоединены ко вторым выводам первого и второго конденсаторов фильтра, аноду третьего диода и общему проводу схемы, исток третьего МДП-транзистора подключен ко второму выводу дросселя и катоду третьего диода, а его сток соединен с первым выводом второго конденсатора фильтра, при этом выводы первого конденсатора фильтра предназначены для подключения аккумуляторной батареи, а выводы второго конденсатора фильтра - для подключения источника питания и нагрузки, дополнительно введены четвертый МДП-транзистор и четвертый диод, сток и анод которых подключены ко второму выводу дросселя, исток четвертого МДП-транзистора подключен к общему проводу схемы, а катод четвертого диода - к стоку третьего МДП-транзистора.

На фиг. 1 представлена схема зарядно-разрядного устройства, на фиг.2 - эпюры напряжений на затворах транзисторов при различных режимах работы.

Устройство содержит четыре однотактных непосредственных преобразователя, работающих попеременно и использующих общий дроссель - два зарядных, один из которых, повышающий, предназначен для заряда батареи при U_АБ > U_нагр, другой, понижающий, используется для заряда батареи при U_АБ < U_нагр и два разрядных, один из которых предназначен для разряда при напряжении батареи U_АБ > U_нагр, другой - для разряда при напряжении батареи U_АБ < U_нагр, и состоит из первого 1 и второго 2 конденсаторов фильтра, первого 3, второго 4, третьего 5 МДП-транзисторов, первого 6, второго 7, третьего 8 диодов, дросселя 9. Устройство содержит соединенные с выводами первого конденсатора фильтра 1 клеммы 10, 11 для подключения аккумуляторной батареи 12 и клеммы 13, 14, соединенные с выводами второго конденсатора фильтра 2 и предназначенные для подключения нагрузки 16 и источника постоянного напряжения 15, а также четвертый МДП-транзистор 17 и четвертый диод 18.

Устройство работает следующим образом.

Силовые МДП-транзисторы 3, 4, 5, 17 преобразователей работают в режиме ШИМ или находятся в закрытом или открытом состоянии в зависимости от режимов работы системы.

Транзистор 3, диод 7, дроссель 9 образуют понижающий ШИМ-преобразователь, обеспечивающий разряд батареи на нагрузку при U_АБ > U_нагр с одновременной стабилизацией выходного напряжения. При этом транзисторы 4, 17 постоянно закрыты, транзистор 5 постоянно открыт, шунтируя диод 18 для снижения потерь. Во время открытого состояния транзистора 3 происходит накопление энергии в дросселе 9 - ток разряда батареи протекает через открытый транзистор 3, дроссель 9, транзистор 5 в нагрузку 16, и последующая ее отдача во время закрытого состояния транзистора 3 в нагрузку 16 осуществляется по цепи: диод 7, дроссель 9, транзистор 5.

Транзистор 4, диод 6, дроссель 9 образуют повышающий ШИМ-преобразователь, позволяющий заряжать батарею при U_АБ > U_нагр. При этом транзисторы 3, 17 постоянно закрыты, транзистор 5 постоянно открыт, шунтируя диод 18. Во время открытого состояния транзистора 4 происходит накопление энергии в дросселе 9, и последующая ее отдача в аккумуляторную батарею во время закрытого состояния транзистора 4 происходит по цепи: транзистор 5, дроссель 9, диод 6.

Транзистор 5, диод 8, дроссель 9 образуют понижающий ШИМ-преобразователь, обеспечивающий заряд батареи при U_АБ <U. При этом транзисторы 4, 17 постоянно закрыты, транзистор 3 постоянно открыт, во время открытого состояния транзистора 5 происходит накопление энергии в дросселе 9 - ток заряда батареи протекает через открытый транзистор 5, дроссель 9. транзистор 3 в батарею 12 и последующая ее отдача во время закрытого состояния транзистора 5 в батарею 12 происходит по цепи: диод 8, дроссель 9, транзистор 3.

Транзистор 17, диод 18, дроссель 9 образуют повышающий ШИМ-преобразователь, обеспечивающий разряд батареи на нагрузку при U_АБ < U_нагр с одновременной стабилизацией выходного напряжения. При этом транзисторы 4, 5 постоянно закрыты, транзистор 3 постоянно открыт, шунтируя диод 6. Во время открытого состояния транзистора 17 происходит накопление энергии в дросселе 9 - ток разряда батареи протекает через открытые транзисторы 3, 17, дроссель 9 и последующая ее отдача во время закрытого состояния транзистора 17 в нагрузку 16 осуществляется по цепи: транзистор 3, дроссель 9, диод 18.

Переключение режимов преобразователей происходит при достижении значения напряжения U_АБ=U_нагр.

Применение непосредственных преобразователей с накоплением энергии в дросселе и МДП-транзисторов позволяет увеличить кпд и снизить габариты и массу устройства по сравнению с трансформаторными схемами как полного, так и частичного преобразования энергии за счет меньшего числа ключевых элементов и отсутствия выпрямителей, более высоких динамических характеристик МДП-транзисторов по сравнению с биполярными транзисторами и диодами, а также низких значений сопротивления канала сток-исток открытого МДП-транзистора, что является условием наличия низких статических потерь в широком диапазоне выходных токов преобразователя.

В настоящее время на предприятии ФНПЦ "Энергия" изготовлены опытные образцы предлагаемого устройства. Испытания подтвердили их работоспособность, надежность и высокий кпд.

Источники информации

1. Патент РФ 2165669, кл. Н 02 J 7/10, опубл. 20.04.2001 г., бюл. 11 (прототип).