ИМПУЛЬСНЫЙ ПОВЫШАЮЩИЙ ОДНОТАКТНЫЙ КОНВЕРТОР

Полезная модель относится к электротехнике и к импульсной силовой электронике и предназначена для использования в качестве вторичного источника импульсного питания с емкостным накопителем авиационно-бортовых светосигнальных, лазерных и виброантиобледенительных комплексов.
Известен импульсный повышающий однотактный конвертор (первый аналог), содержащий последовательно между собой соединенные дроссель, диод и выходной фильтровый конденсатор, который вместе с диодом зашунтированы электронным ключом, так называемый бустерный импульсный модулятор (Д. Иоффе. Разработка импульсного преобразователя напряжения с топологией SEPIC, Компоненты и технологии, №9, 2006 г., Рис. 1).
К недостаткам указанного устройства (первого аналога) относятся: низкие к.п.д. и надежность при многократном повышении напряжения из-за узкоимпульсной (игольчатой) формы выходного зарядного тока, а также из-за невозможности отключения нагрузки от питающего источника.
Известен импульсный повышающий однотактный конвертор (второй аналог), содержащий последовательно между собой соединенные первый дроссель, промежуточный фильтровый конденсатор, который вместе с диодом зашунтированы вторым дросселем, зашунтированным вместе с промежуточным фильтровым конденсатором электронным ключом - так называемая топология «SEPIC» (см. там же, рис. 2).
К недостаткам указанного устройства (второго аналога) относятся: большие масса и габариты и низкая надежность из-за использования энергоемкого промежуточного фильтрового конденсатора (как правило - электролитического), имеющего низкие термостойкость, безотказность и срок службы.
Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сути является импульсный повышающий однотактный конвертор (прототип), содержащий электронный ключ, двухконденсаторную выходную фильтровую стойку, два промежуточных емкостных накопителя (фильтровых конденсатора), один входной и два выходных дросселя, два диода и блок управления (см. там же, рис. 6). Указанная схема объединяет в себе известные топологию «SEPIC» и так называемую схему Кука на базе общего электронного ключа.
К недостаткам известного импульсного повышающего однотактного конвертора (прототипа) относятся: низкая надежность из-за использования энергоемких промежуточных емкостных накопителей (как правило - электролитических фильтровых конденсаторов) и из-за малого числа (двух) конденсаторов в выходной фильтровой стойке с соответствующей малой кратностью деления высоковольтного выходного напряжения, а также низкое качество переходных процессов регулирования и стабилизации выходного напряжения из-за низкого значения коэффициента усиления канала регулирования с цепью обратной связи.
Основным техническим результатом предложения является повышение надежности за счет исключения электролитических промежуточных емкостных накопителей и снижения напряжений на выходных фильтровых конденсаторах.
Дополнительным техническим результатом предложения является повышение качества переходных процессов регулирования и стабилизации выходного напряжения за счет повышения коэффициента усиления канала регулирования с цепью обратной связи.
Указанные технические результаты обеспечиваются БЛАГОДАРЯ тому, что в импульсный повышающий однотактный конвертор, содержащий входные и выходные внешние выводы, электронный ключ, «n» - конденсаторную, где n>1, фильтровую стойку, первую балластную цепь, состоящую из двух дросселей и двух диодов, а также блок управления с импульсно-модуляторным выходным выводом, ВВЕДЕНО «n-2» балластных цепей, аналогичных первой, а в каждую «k»-ю балластную цепь, где k=1, 2…(n-1), ВВЕДЕН третий диод, и БЛАГОДАРЯ тому, что дроссели балластных цепей ВЫПОЛНЕНЫ с общим магнитопроводом и в каждой цепи ВКЛЮЧЕНЫ между собой встречно относительно направления проводимости первого диода, а также БЛАГОДАРЯ тому, что в него ВВЕДЕН управляемый вентиль, а блок управления СНАБЖЕН релейно-сигнальным выходным выводом, и кроме того БЛАГОДАРЯ тому, что в каждую балластную цепь ВВЕДЕН четвертый диод.
Экспериментальные исследования лабораторного макета устройства и его компьютерное моделирование подтвердили его работоспособность и целесообразность широкого промышленного использования.
На чертеже (Фиг.) представлены принципиальная силовая схема предлагаемого импульсного повышающего однотактного конвертора.
Импульсный повышающий однотактный конвертор содержит: входные внешние выводы 1-2 для подключения источника питания постоянного тока и выходные внешние выводы 3-4 для подключения нагрузки постоянного тока, из которых по одному являются заземленными общими, электронный ключ 5, «n» - конденсаторную, где n>1, фильтровую стойку 6 с двумя крайними выводами, шунтирующими выходные внешние выводы устройства, и «n-1» промежуточными выводами, первую балластную цепь 7, состоящую из двух дросселей 8, 9 и первого и второго диодов 10, 11, а также блок управления 12 с импульсно-модуляторным выходным выводом 13. Кроме этого устройство содержит еще «n-2» балластных цепей 14, 15, 16, аналогичных первой, а каждая «k»-я балластная цепь, где k=1, 2…(n-1), имеет также третий диод 17. Устройство содержит также управляемый вентиль 18, а блок управления - соответствующий релейно-сигнальный выходной вывод 19. Каждая балластная цепь содержит также четвертый диод 20. Конденсаторы входного фильтра и выходной фильтровой стойки обозначены на чертеже позициями 21, 22, 23, 24 и 25.
В качестве электронного ключа 5 могут быть использованы транзистор или двуоперационный (запираемый по управлению) тиристор, а также многотранзисторная или многотиристорная стойки. В качестве управляемого вентиля 18 можно использовать обычный (однооперационный) тиристор.
Импульсный повышающий однотактный конвертор работает следующим образом.
Входные и выходные внешние выводы 1-2 и 3-4 подключают к источнику электропитания и к нагрузке постоянного тока, например, к аккумуляторной батарее и к высоковольтной импульсной газоразрядной лампе.
ШИМ
И
ШИМ
И
ШИМ
ШИМ
И
И
ШИМ
При формировании на релейно-сигнальном выходном выводе 19 блока управления 12 командного непрерывного сигнала включается управляемый вентиль 18, и происходит предварительная колебательная зарядка конденсатора 22 фильтровой стойки 6 по цепи: 1-22-20-8-18-2 до напряжения, приблизительно равного двойному напряжению питания. Далее на импульсно-модуляторном выходном выводе 13 блока управления 12 формируются высокочастотные широтно-модулируемые импульсы с постоянным периодом T. При каждом включении электронного ключа 5 происходит нарастание полного (суммарного) потокосцепления дросселей 8 и 9 первой балластной цепи 7 вместе с токами в цепях: 1-5-17-10-8-18-2 и 22-5-17-9-22 в течение длительности импульса: t=T, где t - относительная длительность (коэффициент заполнения) импульса. Затем ключ 5 выключается, а указанное полное потокосцепление частично (или полностью) плавно спадает вместе с токами в цепях: 8-18-1-2-22-20-8 и 9-23-11-9, поддерживаемыми за счет э.д.с. самоиндукции дросселей 8 и 9 в течение длительности оставшегося от периода T времени: T-t=(1-γ)T. При этом второй конденсатор 23 фильтровой стойки 6 заряжается за счет энергии, запасенной в конденсаторе 22 той же стойки. Аналогичным образом каждый «k+1»-й конденсатор стойки 6 заряжается за счет энергии, запасенной в «k»-м конденсаторе этой стойки.
ШИМ
И
ШИМ
Далее указанные процессы периодически качественно повторяются с постоянным периодом T вплоть до момента достижения на выходных внешних выводах 3-4 устройства заданного повышенного выходного напряжения. После этого с помощью цепи обратной связи, производящей сравнение выходного напряжения устройства с эталонным, величина коэффициента заполнения импульса γ регулируется с целью стабилизации на заданном уровне выходного напряжения почти вплоть до момента включения газоразрядной импульсной лампы, перед наступлением которого снимаются сигналы с выходных выводов 13 и 19 блока управления 12 для отключения источника питания от нагрузки. После разряда фильтровой стойки 6 на импульсную лампу вышеописанные процессы вновь повторяются с периодом следования разрядных импульсов, существенно превышающим величину периода T.
И
ВЫХ
Следует отметить, что каждый «k»-й из «n» конденсаторов фильтровой стойки 6 кроме последнего (25) одновременно выполняет и роль секции выходного накопителя и роль промежуточного накопителя для зарядки последующего «k+1»-го конденсатора этой же стойки. Это позволяет по сравнению с прототипом исключить из состава устройства энергоемкие электролитические промежуточные накопители с низкими показателями надежности (термостойкости, безотказности и срока службы). Кроме того, благодаря повышенному числу конденсаторов выходного емкостного накопителя снижаются величины их рабочих напряжений, что также позволяет повысить надежность устройства. К этому следует добавить, что благодаря одновременному регулированию коэффициента заполнения импульса γ для всех «n-1» балластных цепей 7, 14, 15, 16 существенно повышается величина коэффициента усиления  канала регулирования и стабилизации выходного напряжения U с цепью обратной связи, что в свою очередь позволяет повысить качество (в частности быстродействие) переходных процессов и точность регулирования и стабилизации выходного напряжения.
Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом позволяет обеспечить основной технический результат: повышение надежности за счет исключения промежуточных емкостных накопителей и снижения напряжений на выходных фильтровых конденсаторах, а также дополнительный технический результат: повышение качества переходных процессов и точность регулирования и стабилизации выходного напряжения за счет повышения коэффициента усиления канала его регулирования с цепью обратной связи.