КОНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ С ПОВЫШЕННЫМ КПД

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована при построении вторичных источников электропитания.
Известен конвертор напряжения, в котором для увеличения КПД применяют специальные узлы ограничения выбросов напряжения на ключе, позволяющие применять ключи с пониженными допустимым напряжением в закрытом состоянии и уменьшенным падением напряжения в открытом состоянии [1]. Недостатком данного технического решения является усложнение схемы конвертора напряжения.
Наиболее близким по технической сущности и решаемой технической задаче является известный конвертор напряжения на основе, содержащий трансформатор, первый вывод первичной обмотки которого соединен с выводом входного напряжения, а второй - через ключ с общим проводом входного напряжения, управляющий электрод ключа подключен к выходу узла управления, вход которого и второй вывод вторичной обмотки трансформатора подключены к выводу выходного напряжения, конденсатор, включенный между выводом выходного напряжения и общим проводом выходного напряжения, диод, включенный между первым выводом вторичной обмотки и общим проводом выходного напряжения [2]. На фиг.1 приведена функциональная схема, на фиг.3 - временные диаграммы работы разных узлов прототипа.
Конвертор напряжения работает следующим образом. При подаче на управляющий электрод ключа Кл напряжения Uyy последний открывается и входное напряжение прикладывается к первичной обмотке трансформатора Тр. Полярность напряжения на вторичной обмотке трансформатора Тр такова, что диод Д закрыт. Трансформатор, таким образом, на этом интервале времени представляет собой дроссель, ток в первичной обмотке которого линейно
нарастает. После закрывания ключа Кл напряжение на обмотках трансформатора меняет полярность, открывается диод Д и энергия, запасенная в трансформаторе во время импульса, заряжает конденсатор С и передается в нагрузку. Если за время одного периода напряжение на конденсаторе С изменяется незначительно, то ток через диод Iд уменьшается также линейно. С уменьшением длительности импульса напряжения Uyy доля энергии, запасаемая каждый период трансформатором, также уменьшается, что приводит к уменьшению времени протекания тока через диод Д и его амплитуды.
Недостатком известного технического решения являются относительно невысокий КПД и, как следствие, дополнительный нагрев ключа Кл и диода Д. Для повышения КПД рассмотренного конвертора применяют быстродействующие полевые ключи и диоды Шоттки с малым падением напряжения в открытом состоянии. Однако даже минимальное его значение, например, при выходных токах конвертора 10 А и выходных напряжениях 5 В составляет в среднем не менее 0,6 В, что не позволяет увеличить КПД выше 0,8...0,82.
Общими признаками предлагаемого технического решения и прототипа являются трансформатор, первый вывод первичной обмотки которого соединен с выводом входного напряжения, а второй - через первый ключ - с общим проводом входного напряжения, управляющий электрод ключа подключен к выходу узла управления, вход которого и второй вывод вторичной обмотки трансформатора подключены к выводу выходного напряжения, конденсатор, включенный между выводом выходного напряжения и общим проводом выходного напряжения, диод, один электрод которого подключен к первому выводу вторичной обмотки трансформатора, второй электрод диода.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является повышение КПД конвертора напряжения.
Поставленная техническая задача решается тем, что предлагается конвертор напряжения с повышенным КПД, содержащий трансформатор,
первый вывод первичной обмотки которого соединен с выводом входного напряжения, а второй - через первый ключ - с общим проводом входного напряжения, управляющий электрод ключа подключен к выходу узла управления, вход которого и второй вывод вторичной обмотки трансформатора подключены к выводу выходного напряжения, конденсатор, включенный между выводом выходного напряжения и общим проводом выходного напряжения, диод, один электрод которого подключен к первому выводу вторичной обмотки трансформатора, второй электрод диода, причем в него введены резисторный датчик тока, компаратор, источник опорного напряжения и второй ключ, резисторный датчик тока включен между вторым выводом диода и общим проводом выходного напряжения, силовые электроды второго ключа подключены к выводам диода, а его управляющий электрод соединен с выходом компаратора, неинвертирующий вход которого подключен к общему проводу выходного напряжения, а инвертирующий вход через источник опорного напряжения - ко второму выводу диода.
Введение в устройства дополнительных элементов и новых неочевидных связей позволило значительно увеличить КПД конвертора напряжения.
Заявитель не обнаружил технических решений, имеющих сходные признаки с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, а следовательно, предлагаемое техническое решение обладает существенными отличиями.
Предлагаемое устройство изготавливается из стандартных элементов, которые серийно выпускаются промышленностью. Оно собирается типовыми монтажными операциями с помощью стандартного оборудования, что особенно важно при серийном производстве. Поэтому предлагаемое устройство удовлетворяет критерию промышленной применимости.
На фиг.2 приведена функциональная схема предлагаемого конвертора напряжения с повышенным КПД, на фиг.3 - временные диаграммы его работы.
Предлагаемый конвертор напряжения с повышенным КПД содержит трансформатор 1 с первичной и вторичной обмотками, первый ключ 2, узел управления 3, диод 4, второй ключ 5, компаратор 6, источник спорного напряжения 7, резисторный датчик тока 8 и конденсатор 9.
В предлагаемом конверторе напряжения с повышенным КПД первый вывод первичной обмотки трансформатора 1 соединен с выводом входного напряжения, а второй - через первый ключ 2 - с общим проводом входного напряжения, управляющий электрод первого ключа 2 подключен к выходу узла управления 3, вход которого и второй вывод вторичной обмотки трансформатора 1 подключены к выводу выходного напряжения, конденсатор 9 включен между выводом выходного напряжения и общим проводом выходного напряжения, диод 4, один электрод которого подключен к первому выводу вторичной обмотки трансформатора 1, а другой - через резисторный датчик тока 8 - к общему проводу выходного напряжения, силовые электроды второго ключа 5 подключены к выводам диода 4, а его управляяющий электрод соединен с выходом компаратора 6, неинвертирующий вход которого подключен к общему проводу выходного напряжения, а инвертирующий вход - через источник опорного напряжения 7 ко второму выводу диода 4.
Предлагаемый конвертор напряжения с повышенным КПД работает следующим образом. Во время открытого состояния ключа 2 все процессы протекают точно так же, как и в прототипе. Различия появляются во время закрытого состояния ключа 2, когда открыт диод 4. Как только во вторичной обмотке появляется ток, он, протекая по датчику тока 8, создает напряжение на неинвертирующем входе компаратора 6, большее, чем напряжение на его инвертирующем входе, т.е. Uнеинв>Uинв=Uоп. На выходе компаратора устанавливается напряжение Uк, открывающее второй ключ 5, который шунтирует диод 4. С этого момента ток вторичной обмотки протекает через открытый ключ 5, падение напряжения на котором при указанном выше значении тока может составлять десятки мВ (вместо 0,6 В падения напряжения на диоде). Напряжение на сборке «диод 4 - второй ключ 5» на этом интервале
времени показано на диаграмме Uд(t) пунктирной линией. При уменьшении тока во вторичной обмотке трансформатора 1 Iд до значения тока закрывания Iз=Uоп/Rдт приводит к переключению компаратора 6 в исходное состояние и закрыванию второго ключа 5. С этого момента процессы в устройстве полностью идентичны процессам, происходящим в прототипе. Рассмотренный алгоритм работы сборки «диод 4 - второй ключ 5» значительно увеличивает КПД устройства в целом и уменьшает его нагрев.
При уменьшении тока нагрузки уменьшается и амплитуда тока через диод 4 и, следовательно, относительное время работы второго ключа 5 (показано на диаграмме Uд(1) во втором и третьем периоде работы). Поэтому эффект повышения КПД уменьшается. Наконец, при выходном токе устройства, когда амплитудное значение тока через диод 4 Iд<Iз=Uоп/Rдт второй ключ 5 в течение времени работы диода 4 вообще не включается и устройство работает так же, как и прототип и с тем же КПД. Но в этом режиме преобразователь напряжения практически не нагревается.
Для нормальной работы предлагаемого устройства необходимо настроить компаратор 6 выбором номинала резисторного датчика тока 8 так, чтобы закрывание второго ключа 5 происходило раньше, чем открывание первого ключа 2.
Изготовленный макет конвертора напряжения при выходном напряжении 5 В и токе нагрузки 10 А практически имел повышение КПД с 80 до 89%, что соответствует уменьшению мощности потерь с 20 до 11%, т.е. почти в 2 раза. Во столько же уменьшился и общий нагрев предлагаемого устройства.
Источники, используемые при написании заявки.
1. Миронов А.А. и др. Преобразователь постоянного напряжения. Описание полезной модели №71883, 2007 г.
2. М.Браун. Источники питания. Расчет и конструирование. «МК-Пресс», Киев, 2005 г., с.46, рис.3.12.