ОБРАТИМЫЙ ПОНИЖАЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
CONSTANT VOLTAGE STEP-DOWN INVERTER

Предложение относится к системам электропитания, в частности к электрическим преобразователям постоянного напряжения в постоянное напряжение заданного уровня, ограниченного верхним уровнем напряжения источника питания, и может быть использовано для электроснабжения активной нагрузки с возможностью рекуперации энергии от активной нагрузки в источник питания для его подзарядки в долевых режимах работы.
Известно устройство обратимого повышающего преобразователя постоянного напряжения [патент US 2009/0027933 A1, класс МПК H02M 7/5396, H02M 3/135, дата выдачи 29.01.2009], содержащее входной накопительный дроссель два транзистора и диод. Недостатком известного устройства является его работа только в повышающем режиме, а также невозможность регулирования потока рекуперируемой энергии, идущей от активной нагрузки в источник питания.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранный в качестве прототипа понижающий преобразователь 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.179], содержащий два входных и два выходных зажима, один управляемый ключ-транзистор, токоограничивающий дроссель, диод, входной и выходной конденсатор. Недостатком устройства является невозможность осуществления рекуперации энергии от активной нагрузки в источник питания.
Предлагаемый понижающий преобразователь постоянного напряжения в постоянное позволяет изменять уровень выходного напряжения ниже уровня входного напряжения, а также осуществлять рекуперацию электрической энергии от активной нагрузки в источник питания. К достоинствам предлагаемого электрического преобразователя можно отнести возможность осуществлять регулирование потока рекуперируемой энергии.
Описанные преимущества достигаются тем, что электрический преобразователь снабжен тремя дополнительными диодами и одним транзистором. Изменяя скважность работы управляемых ключей, можно осуществлять изменение или стабилизацию уровня выходного напряжения относительно входного, а также осуществлять регулирование тока заряда источника питания от энергии накопленной активной нагрузкой.
Обратимый понижающий преобразователь постоянного напряжения, схема которого представлена на Фиг.1, состоит из двух входных 1, 2 и двух выходных 3, 4 зажимов, для соединения с источником питания 5 и нагрузкой 6 соответственно, содержащий управляемый транзисторный ключ 7, токоограничивающий дроссель 8, диод 9, входной 10 и выходной 11 конденсатор. Коллектор управляемого транзисторного ключа 7 соединен с положительной обкладкой входного конденсатора 10 и с положительным входным зажимом 1, эмиттер управляемого транзисторного ключа 7 соединен с катодом диода 9 и первым выводом токоограничивающего дросселя 8. Отрицательные выводы входного 10 и выходного 11 конденсаторов соединены с анодом диода 9 и отрицательными входным 2 и выходным 4 зажимами, а положительный выходной зажим 3 соединен с положительной обкладкой выходного конденсатора 11. Преобразователь снабжен тремя дополнительными диодами 12, 13, 14 и одним транзистором 15. Эмиттер транзистора 15 соединен с катодом первого 12 и анодом второго 13 дополнительных диодов и вторым выводом токоограничивающего дросселя 8. Коллектор транзистора 15 соединен с катодом второго диода 13 и с положительным выходным зажимом 3. Анод первого диода 12 подключен к общему узлу, соединяющему отрицательные входной 2 и выходной 4 зажим. Анод третьего диода 14 соединен с первым выводом токоограничивающего дросселя 8, а его катод с положительным выводом входного зажима 1.
Работа схемы электрического преобразователя происходит следующим образом. При необходимости понижения уровня выходного напряжения (напряжения на нагрузке) относительно входного, управляемый транзисторный ключ 7 работает в ключевом режиме со скважностью
7
7
вых
вх
γ=t/T=U/U,
7
вых
вх
где t - время замкнутого состояния управляемого транзисторного ключа 7, Т - период повторяемости импульсов, U - требуемый уровень выходного напряжения, U - уровень входного напряжения. При этом управляемый ключ - транзистор 15 работает со скважностью, равной 0, то есть закрыт, а диод 12 защищает входной управляемый транзисторный ключ 7 от коммутационных перенапряжений. Таким образом, происходит широтно-импульсная модуляция входного напряжения посредствам входного управляемого транзисторного ключа 7 и фильтрация этого напряжения LC-фильтром, состоящим из дросселя 8 и выходного конденсатора 11. При этом путь для протекания тока нагрузки состоит из положительной обкладки источника 5 и входного конденсатора 10, управляемого транзисторного ключа 7, дросселя 8, диода 13 и на заряд выходного конденсатора 11 и в нагрузку 6 и на отрицательную обкладку источника 5. В моменты времени, когда управляемый транзисторный ключ 7 закрыт, ток, протекающий через нагрузку 6, замыкается по цепи дроссель 8, диод 13, нагрузка 6 и параллельно соединенный с ней конденсатор 11 и диод 9.
В случае, когда нагрузка носит активный характер и напряжение на нагрузке становится выше напряжения источника питания, необходимо рассеять энергию, накопленную нагрузкой во внешней цепи. Данная энергия генераторного режима нагрузки 6 может быть использована для заряда химического источника питания 5, тем самым повышая энергетическую эффективность всей энергоустановки. Такой тип нагрузки характерен для электромеханических преобразователей, например электрических машин постоянного тока в случае ее перехода в генераторный режим работы.
Работа схемы в таком режиме происходит следующим образом. При необходимости рекуперации энергии от нагрузки 6, работающей в генераторном режиме, в источник питания 5 управляемый ключ - транзистор 15 работает в ключевом режиме со скважностью
15
15
γ=t/T,
15
где t - время замкнутого состояния транзистора 15, Т - период повторяемости импульсов. При этом управляемый транзисторный ключ 7 работает со скважностью, равной 0, то есть закрыт, а диод 9 защищает транзистор 15 от коммутационных перенапряжений. Скважность работы транзистора 15 должна быть такой, чтобы ток заряда источника питания 6 соответствовал требуемому значению. Таким образом, происходит широтно-импульсная модуляция напряжения с нагрузки посредствам транзистора 15 и фильтрация этого напряжения LC-фильтром, состоящим из дросселя 8 и конденсатора 10. При этом путь для протекания тока заряда источника питания 5 состоит из положительной обкладки нагрузки 6 и конденсатора 11, транзистора 15, дросселя 8, диода 14 и на заряд конденсатора 10 и источника питания 5 и через цепь отрицательной обкладки нагрузки 6. В моменты времени, когда транзистор 15 закрыт, ток, протекающий через источник питания 5, замыкается по цепи дроссель 8, диод 14, источник питания 5 и параллельно соединенный с ней конденсатор 10 и диод 12.
Таким образом, обратимый понижающий преобразователь постоянного напряжения имеет абсолютно симметричную схему построения относительно входа и выхода и обладает возможностью пропускать электрическую энергию в обе стороны.