ИНВЕРТИРУЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ НАКОПИТЕЛЬНОГО ТИПА
INVERTING DC VOLTAGE CONVERTER OF ACCUMULATIVE TYPE

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к устройствам электропитания потребителей постоянным напряжением выше и ниже уровня напряжения источника постоянного тока. Предлагаемое устройство относится к преобразователям напряжения инвертирующего типа.
Схема преобразователя, выбранная в качестве аналога, представлена на фиг. 1 [1]. В данном преобразователе, который можно назвать накопительным, используется предварительное запасание электроэнергии в индуктивном элементе. Изменение выходного напряжения относительно напряжения источника обусловлено постоянством дозы энергии, передаваемой от источника к потребителю через преобразователь за такт его работы независимо от нагрузки, поэтому подобные устройства также называют преобразователями с дозированной передачей энергии.
И
Вследствие постоянства передаваемой мощности его внешняя характеристика в координатах «напряжение - ток», показанная толстой линией на фиг. 2, содержит гиперболический участок, отмеченный цифрой 1. При уменьшении нагрузки ниже определенной величины луч вольтамперной характеристики нагрузки, обозначенной цифрой 3, пересекает гиперболическую ветвь внешней характеристики в точке выше уровня напряжения источника U.
Г
Г
К
Этот преобразователь имеет единственный накопительный элемент в виде индуктивности. Его недостатком является зависимость характера работы от нагрузки, проявляющаяся в возможности функционирования в двух режимах - непрерывного и прерывистого тока индуктивности, где свойства преобразователя качественно различаются. При малых нагрузках преобразователь работает в прерывистом режиме, при этом его внешняя характеристика описывается гиперболой. При возрастании тока нагрузки выше граничного значения, обозначенного I на фиг. 2, которому соответствует напряжение U, ток индуктивности становится непрерывным. В этом режиме часть внешней характеристики, отмеченная цифрой 2, приобретает другую форму, не позволяющую получить ток нагрузки больше величины тока короткого замыкания I.
Г
Г
К
Этот недостаток отсутствует в схеме инвертирующего преобразователя постоянного напряжения, принимаемого в качестве прототипа [2], его схема представлена на фиг. 3. Недостаток аналога здесь устраняется техническим решением в виде дополнения схемы фиг. 1 выходным ключом S2, который обеспечивает работу преобразователя независимо от нагрузки только в режиме прерывистого тока, тем самым исключается непрерывный режим. Его внешняя характеристика во всем диапазоне изменения нагрузки имеет гиперболическую форму, показанную на фиг. 2 толстой линией 1 при I<I и пунктирной линией 1 при I>I, что позволяет получить ток нагрузки выше значения I.
2
2
2
И
1
И
Работа преобразователя по схеме фиг. 3 происходит в следующей последовательности. При замыкании ключа S1 в течение определенного интервала времени происходит нарастание тока индуктивности L до значения I, а ее энергия достигает величины W=LI/2. При размыкании ключа S1 открывается диод VD1 и индуктивность передает энергию в емкость С1. При равенстве разрядного тока нулю диод закрывается, и емкость оказывается заряженной до напряжения U, при котором ее энергия W=CU/2 равна энергии индуктивности W=LI/2. Далее замыкается ключ S2, емкость разряжается на нагрузку, а когда напряжение емкости становится нулевым, ключ S2 размыкается, что означает завершение передачи дозы энергии в нагрузку. Далее начинается следующий рабочий интервал - замыкается ключ S1 и так далее.
В итоге за интервал работы Т доза энергии W передается от источника в нагрузку через два накопительных элемента, при этом изменение во времени энергетических переменных (тока индуктивности и напряжения емкости) носит прерывистый характер. Интервал повторяемости T тока индуктивности и напряжения емкости содержит участки заряда, разряда и паузы.
К
Достоинством этого преобразователя является возможность получения в соответствии с гиперболической внешней характеристикой не только больших значений напряжения при малых нагрузках, но и больших значений тока, превышающих значение тока I, при больших нагрузках. При этом ток нагрузки через источник напряжения не протекает, а замыкается через емкость.
d
Недостаток данного преобразователя заключается в высоком уровне переменной составляющей в кривой выходного напряжения преобразователя U, примерный вид которой при допущении разряда емкости по линейному закону показан на фиг. 4. Также к его недостаткам относится низкая надежность, вызванная тем, что отказ какого-либо элемента приводит к прекращению питания нагрузки, что недопустимо для ряда ответственных потребителей.
1
Целью изобретения является устранение указанных недостатков, что достигается подсоединением к преобразователю прототипа на фиг. 3 дополнительных элементов, в результате чего образуется схема, показанная на фиг. 5. Часть дополнительных элементов в виде схемы преобразователя прототипа, подсоединяется параллельно по входу и выходу предлагаемого преобразователя. Элементы параллельно включенных преобразователей с одинаковым функциональным назначением имеют равные параметры. Оба параллельно включенных преобразователя выполняют одни и те же функции по накоплению и передаче энергии. Их элементы повторяют в той же последовательности действия соответствующих элементов преобразователя фиг. 3, но со сдвигом цикла работы дополнительных элементов преобразователя на интервал T=T/2. К объединенному выходу параллельно включенных преобразователей подсоединяется выходная индуктивность L3 для суммирования токов разряда конденсаторов С1 и С2 и сглаживания тока нагрузки и обратный диод VD3 для замыкания тока выходной индуктивности L3 при размыкании ключей S2 и S4.
C1
C2
d
Напряжения U и U на емкостях С1 и С2 и выходное напряжение U предлагаемого преобразователя показаны на фиг. 6.
1
d
В результате заряды индуктивностей L1 и L2 и разряды емкостей С1 и С2 на выходную индуктивность L3 происходят поочередно, поэтому преобразователь на фиг. 5 является двухтактным, тогда как преобразователь на фиг. 3 относится к однотактным схемам. Интервал повторяемости Т для преобразователя на фиг. 5, в два раза меньше интервала Т, а частота переменной составляющей в кривой напряжении U, соответственно, в два раза больше, чем в прототипе, поэтому его пульсации меньше. Выход из строя элемента одного из преобразователей не прерывает питания потребителя, так как оставшийся преобразователь продолжает функционировать в однотактном режиме.
Таким образом, предлагаемое техническое решение инвертирующего преобразователя постоянного напряжения накопительного типа достигает цели изобретения.
Список источников:
1. Электрические и электронные аппараты: Учебник для вузов / Под ред. Ю.К. Розанова. – М.: Информэлектро, 2001. Стр. 308, рис. 11.39.
2. Исхаков В.А. Инвертирующий преобразователь постоянного напряжения. Патент РФ на изобретение №2214673 С2. Опубл. 20.10.2003.