ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
DC VOLTAGE CONVERTER

Предлагаемое изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано в источниках и системах вторичного электропитания, а также при создании автономных многоуровневых систем обмена электрической энергией постоянного тока.
Известен преобразователь постоянного напряжения (Электричество, №7, 1969, с.82-84, рис.3), содержащий входной, выходной и общий выводы для подключения соответственно источника постоянного напряжения и нагрузки, зарядный ключ, n соединенных параллельно цепочек, включенных между входным выводом преобразователя и первым выводом зарядного ключа, второй вывод которого соединен с его общим выводом, состоящих каждая из последовательно соединенных конденсатора и двух зарядных диодов, (n-1) разрядных ключей, каждый из которых включен между разноименными выводами конденсаторов соответствующих смежных зарядных цепочек, разрядный ключ, включенный между входным выводом и точкой соединения конденсатора и зарядного диода первой цепочки.
К недостаткам данного преобразователя следует отнести избыточное количество элементов зарядной цепи состоящей из двух диодов и ключа, низкий к.п.д. вследствие завышенных потерь при заряде конденсаторов от входного источника постоянного напряжения через указанные элементы и их разряде на емкостную нагрузку, а также его неспособность работать в обратном направлении в качестве понижающего преобразователя.
Кроме того, известен преобразователь постоянного напряжения (Электротехника, №10, 2007, с.34-40, рис.1 - блоки - А1.1 и А1.2), являющийся прототипом предлагаемого изобретения, содержащий входной, выходной и общий выводы, два идентичных однотактных преобразователя соединенных параллельно по входу и выходу, содержащих каждый n конденсаторов и две группы двунаправленных ключей, причем первый ключ первой группы, включен между положительным выводом первого конденсатора и выходным выводом преобразователя, (n-1) ключей первой группы, каждый из которых включен между разноименными выводами конденсаторов соответствующих смежных цепочек, последний ключ первой группы, соединяющий входной вывод с отрицательным выводом последнего конденсатора, а каждый ключ второй группы соединяет отрицательный вывод соответствующего конденсатора с общим выводом преобразователя.
Недостаток прототипа - однонаправленность, т.е. его способность работать только в прямом направлении как повышающий преобразователь постоянного напряжения и неспособность работать в обратном направлении в качестве понижающего преобразователя, что снижает его функциональные возможности.
Задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей преобразователя.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в преобразователь постоянного напряжения, содержащий входной, выходной и общий выводы, два идентичных однотактных преобразователя соединенных параллельно по входу и выходу, содержащих каждый n конденсаторов и две группы двунаправленных ключей, причем первый ключ первой группы, включен между положительным выводом первого конденсатора и выходным выводом преобразователя, (n-1) ключей первой группы, каждый из которых включен между разноименными выводами конденсаторов соответствующих смежных цепочек, последний ключ первой группы, соединяющий входной вывод с отрицательным выводом последнего конденсатора, а каждый ключ второй группы соединяет отрицательный вывод соответствующего конденсатора с общим выводом преобразователя введены и двунаправленных ключей, каждый из которых соединяет положительный вывод соответствующего конденсатора с входным выводом преобразователя.
На Фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого преобразователя, а на Фиг.2 - двухуровневая система обмена электрической энергией постоянного тока на его основе.
Преобразователь (Фиг.1) состоит из двух идентичных однотактных преобразователей 1 и 2, соединенных параллельно по входу и выходу соответственно - между входным 3, выходным 4 и общим 5 выводами. Каждый идентичный однотактный преобразователь содержит n конденсаторов 6 и две группы двунаправленных ключей: первую - (7, 8, 9), вторую - 10 и n двунаправленных ключей 11, причем первый ключ первой группы 7, включен между положительным выводом первого конденсатора и выходным выводом 4 преобразователя, (n-1) ключей первой группы 8 включены между разноименными выводами конденсаторов 6 соответствующих смежных цепочек, а последний ключ первой группы 9 соединяет входной вывод преобразователя 3 с отрицательным выводом последнего конденсатора 6. При этом каждый ключ второй группы 10 соединяет отрицательный вывод соответствующих конденсаторов 6 с общим выводом преобразователя 5, а n двунаправленных ключей 11 соединяют положительные выводы соответствующих конденсаторов 6 с входным выводом 3 преобразователя.
Преобразователь работает следующим образом. В него входят два идентичных однотактных преобразователя 1 и 2, каждый из которых способен работать как в прямом так и в обратном направлении. В прямом направлении работа преобразователя осуществляется по принципу поочередного высокочастотного периодического параллельного подзаряда конденсаторов 6 в однотактных преобразователях от источника постоянного напряжения Е, подключаемого к выводам 3 и 5, через двунаправленные ключи 10, 11 с их последующим последовательным разрядом на нагрузку, подключаемую к выводам 4 и 5, через двунаправленные ключи (7-9). Поскольку разряд соединенных последовательно конденсаторов 6 на нагрузку происходит через последовательно соединенный с ними источник Е, то силовая цепь каждого из однотактных преобразователей упрощается за счет уменьшения числа цепочек на единицу. В результате выходное напряжение преобразователя увеличивается и оказывается равным (n+1)·Е.
При работе преобразователя в обратном направлении источник постоянного напряжения и нагрузка меняются местами, и работа преобразователя осуществляется по принципу поочередного высокочастотного периодического последовательного подзаряда конденсаторов 6 одного из однотактных преобразователей от источника Е через двунаправленные ключи (7, 8, 9) и нагрузку и одновременном разряде на нее параллельно соединенных конденсаторов другого однотактного преобразователя через двунаправленные ключи 10, 11. В результате при работе преобразователя в обратном направлении выходное напряжение уменьшается и оказывается равным Е/(n+1).
Следует отметить, что преобразователь сохраняет свою работоспособность в обоих направлениях при исключении из его состава одного из однотактных преобразователей. При этом общее количество используемых элементов сокращается в два раза. Однако, в этом случае, недостатком является ухудшение качества выходного напряжения и увеличение уровня кондуктивной импульсной помехи, создаваемой импульсами зарядного тока на зажимах входного источника постоянного напряжения.
Кроме того, предлагаемый преобразователь способен работать при подключении к его входу и выходу аккумуляторных батарей с различными напряжениями, по схеме, представленной на Фиг.2. В данном случае преобразователь представляет собой двухуровневую систему обмена электрической энергией между источниками постоянного тока с кратными напряжениями. Обмен электрической энергией отсутствует, если отношение уровней напряжения батарей
.
При изменении уровней напряжения батарей баланс нарушается и возникает режим обмена электрической энергией, причем если
, то батарея Е1 подзаряжает батарею Е2, а если
, то происходит обратный процесс. С увеличением числа батарей - К обмен электрической энергией между ними осуществляется многоуровневой системой, состоящей из (K-1) предлагаемых преобразователей.
Таким образом, предлагаемый преобразователь имеет более широкие функциональные возможности, т.к. способен работать в обоих направлениях, как в режиме повышения, так и понижения входного напряжения, а также в качестве системы обмена электрической энергией между источниками постоянного тока с кратными напряжениями.