ОБРАТИМЫЙ ИНВЕРТИРУЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
REVERSIBLE INVERTING DIRECT VOLTAGE CONVERTER

Предложение относится к системам электропитания, в частности к электрическим преобразователям постоянного напряжения в постоянное напряжение иной полярности заданного уровня как выше, так и ниже уровня напряжения источника питания, и может быть использовано для электроснабжения активной нагрузки с возможностью рекуперации энергии. Рекуперация энергии от активной нагрузки в источник питания может быть использована для подзарядки химического источника питания.
Известно устройство инвертирующего преобразователя постоянного напряжения [Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи. - М.: Энергоатомиздат, 1986. с.13 и с.121 или Семенов Б.Ю. Силовая электроника от простого к сложному. - М.: СОЛОН-Пресс, 2005, с.257], содержащее входной и выходной накопительные конденсаторы, транзистор, накопительный дроссель и диод. Недостатком известного устройства является то, что в зависимости от скважности и нагрузки он может работать в режимах прерывистого и непрерывного тока индуктивности. В этих режимах статические и динамические свойства преобразователя различаются, поэтому работа преобразователя будет происходить с разной эффективностью.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство инвертирующего преобразователя постоянного напряжения [МПК H02M 3/10, патент RU 2214673 C2, заявка: 2000127778/09, 04.11.2000, Исхаков В.А. Инвертирующий преобразователь постоянного напряжения], содержащее два входных и два выходных зажима, два управляемых ключа, катушку индуктивности, диод и конденсатор. Известное устройство исключено недостатков, отмеченных ранее. К недостаткам заявленного устройства можно отнести то, что при такой схемной реализации невозможно осуществить рекуперацию энергии от активной нагрузки в источник питания.
Предлагаемый инвертирующий преобразователь постоянного напряжения в постоянное, позволяет изменять полярность и уровень выходного напряжения как выше, так и ниже уровня входного напряжения, а также осуществлять рекуперацию электрической энергии от активной нагрузки в источник питания. К достоинствам предлагаемого электрического преобразователя можно также отнести возможность осуществлять регулирование потока рекуперируемой энергии.
Описанные преимущества достигаются тем, что электрический преобразователь снабжен дополнительным диодом, транзистором и входным конденсатором. Изменяя скважность работы транзисторов, можно осуществлять изменение или стабилизацию уровня выходного напряжения относительно входного, а также осуществлять регулирование тока заряда источника питания от энергии, запасенной в активной нагрузке.
Обратимый инвертирующий преобразователь постоянного напряжения, схема которого представлена на Фиг. 1, состоит из двух входных 1, 2 и двух выходных 3, 4 зажимов, предназначенных для соединения с источником питания 5 и нагрузкой 6 соответственно, содержащий транзистор 7, накопительный дроссель 8, диод 9 и выходной конденсатор 10. Коллектор транзистора 7 соединен с положительным входным зажимом 1, эмиттер транзистора 7 соединен с катодом диода 9 и первым выводом накопительного дросселя 8. Отрицательный вывод 2 входного и положительный вывод 4 выходного зажимов соединены между собой и соединены с положительным выводом выходного конденсатора 10 и вторым выводом накопительного дросселя 8, а отрицательный вывод конденсатора 10 соединен с анодом диода 9. Обратимый инвертирующий преобразователь снабжен дополнительным диодом 11, транзистором 12 и входным конденсатором 13. Эмиттер введенного транзистора 12 соединен с анодом первого диода 9 и отрицательным выходным зажимом 3, а коллектор этого транзистора 12 соединен с эмиттером первого транзистора 7, катодом первого диода 9, первым выводом накопительного дросселя 8 и анодом вновь введенного диода 11. Катод введенного диода 11 соединен с положительным выводом входного зажима 1 и положительным выводом входного конденсатора 13, отрицательный вывод которого соединен с отрицательным выводом входного зажима 2.
7
Работа схемы электрического преобразователя происходит следующим образом. В режиме, когда энергия идет от источника питания 5 в нагрузку 6, при необходимости регулирования или стабилизации уровня выходного напряжения (напряжения на нагрузке) относительно входного транзистор 7 работает в ключевом режиме со скважностью γ
7
7
γ=t/T;
при этом напряжение на выходе преобразователя определяется согласно
7
вых
вх
где t - время замкнутого состояния транзистора 7, T - период повторяемости импульсов, U - требуемый уровень выходного напряжения, U - уровень входного напряжения.
7
7
7
При этом транзистор 12 закрыт. В тот момент времени, когда транзистор 7 включен, происходит накопление энергии в дросселе 8. Ток заряда течет по цепи "плюс" источника питания 5 и входного конденсатора 13 через транзистор 7 накопительный дроссель 8 и на "минус" источника питания 5 и входного конденсатора 13. При этом ток через дроссель 8 нарастает по линейному закону. После закрытия транзистора 7 энергия, накопленная в дросселе 8, передается в нагрузку 6 и на заряд выходного конденсатора 10. С учетом первого закона коммутации о том, что ток через индуктивность дросселя 8 не может измениться скачком, то цепь для протекания тока накопительного дросселя образуется через нагрузку 6 и параллельно подключенный выходной конденсатор 10, диод 9 и обратно на дроссель 8. В результате чего происходит заряд накопительного конденсатора 10 и нарастание напряжения на нагрузке 6. При этом при γ<0,5 схема работает с понижением уровня выходного напряжения относительно входного, при γ>0,5 - с повышением, и при γ=0,5 с равенством уровня выходного напряжения входному.
Таким образом, происходит передача энергии от источника в нагрузку, осуществляемая через промежуточный накопитель электрической энергии - накопительный дроссель 8.
В случае, когда нагрузка носит активный характер и может работать в генераторном режиме работы можно использовать этот режим работы для отдачи энергии в химический источник питания 5, тем самым повысив энергетическую эффективность всей энергоустановки, что особенно актуально для автономных систем электроснабжения. Такой тип нагрузки характерен для электромеханических преобразователей, например электрических машин постоянного тока в случае ее перехода в генераторный режим работы.
12
12
Работа схемы в таком режиме происходит следующим образом. При необходимости рекуперации энергии от нагрузки 6, работающей в генераторном режиме, в источник питания 5 транзистор 12 работает в ключевом режиме со скважностью γ=t/Т. При этом транзистор 7 работает со скважностью, равной 0, то есть закрыт. Таким образом, в случае рекуперации энергии от активной нагрузки 6 в источник питания 5 функции управления ключами - транзисторами 7 и 12 меняются местами. Скважность работы транзистора 12 должна быть такой, чтобы ток заряда источника питания 5 соответствовал требуемому значению.
Таким образом, используя промежуточный накопитель энергии - накопительный дроссель 8, транзисторы 7, 12 и отсекающие диоды 11 и 9 можно реализовать двунаправленный обмен энергиями с инвертированием напряжения между источником питания и активной нагрузкой. Схему, изображенную на Фиг. 1, можно перерисовать согласно Фиг. 2, при этом все процессы, происходящие на Фиг. 1, справедливы и для Фиг. 2. Схема на Фиг. 2 является абсолютно симметричной и универсальной относительно входа и выхода и более наглядно отображает смысл и физику процессов происходящих в обратимом инвертирующем преобразователе постоянного напряжения.
Таким образом, обратимый инвертирующий преобразователь постоянного напряжения имеет симметричную схему построения относительно входа и выхода и обладает возможностью пропускать электрическую энергию в обе стороны.