ОДНОТАКТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ
SINGLE-STEP VOLTAGE CONVERTER

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике и является устройством, реализующим энергетически эффективный импульсный способ регулирования мощности, передаваемой в нагрузку, и может использоваться в источниках вторичного электропитания.
Высокие коммутационные потери в транзисторах снижают надежность их работы и, соответственно, надежность устройства в целом, а также понижают эффективность преобразования электрической энергии
Известен патент РФ №2476979 на изобретение от 01.12.2011, опубл. 27.02.2013, «Конвертер постоянного напряжения».
Конвертер постоянного напряжения содержит коммутирующий блок, нагрузочный трансформатор, ограничитель выброса напряжения, дополнительную обмотку, диод и конденсатор. Энергия, запасенная в индуктивности рассеяния трансформатора, заряжает конденсатор выпрямителя, подключенного к дополнительной обмотке, имеющей максимально возможную индуктивную связь с первичной обмоткой трансформатора. Для обеспечения такой связи дополнительная обмотка наматывается между слоями или размещается между витками первичной обмотки трансформатора. Разряд конденсатора осуществляется током заряда индуктивности первичной обмотки в каждом последующем цикле. Вследствие этого мощность, выделяющаяся на элементах ограничителя выброса напряжения, оказывается значительно уменьшенной, а сам дополнительный выпрямитель, содержащий диод и конденсатор, не потребляет выходной мощности. Это позволяет значительно уменьшить потери энергии и тепловыделение в первичной секции однотактных трансформаторных преобразователей напряжения постоянного тока, что в конечном итоге позволяет уменьшить их объем.
Технический результат - уменьшение объема конвертера постоянного напряжения за счет снижения мощности, рассеиваемой на элементах ограничения выброса напряжения, возникающего на первичной обмотке трансформатора при размыкании коммутирующего ключа.
Недостатком конвертера постоянного напряжения является то, что в устройстве отсутствуют цепи, которые предотвращают скачкообразное нарастание напряжения на транзисторе в моменты его запирания, что влечет за собой существенные коммутационные потери.
Известен патент РФ №2031531 на изобретение от 16.02.1993, опубл. 20.03.1995, «Однотактный обратноходовой преобразователь напряжения».
Преобразователь выполнен по однотактной схеме с обратным включением выпрямительного диода и трансформаторным разделением сетей питания и нагрузки. Он снабжен одной или несколькими идентичными цепями рекуперации, соединенными параллельно друг с другом, каждая из которых содержит конденсатор, диодный узел и дроссель. Снижение динамических потерь мощности в транзисторном ключе достигнуто за счет его отпирания при нулевом коллекторном токе (дроссель формирует ток коллектора и определяет ток заряда конденсатора), а запирания - при нулевом коллекторном напряжении, полученном с помощью заряженного конденсатора. Включение двух и более цепей рекуперации дает возможность формирования кривой коллекторного тока ключа, близкой к прямоугольной, и передачи части мощности в нагрузку во время прямого хода, что снижает установленную мощность трансформатора и транзисторного ключа.
Недостатком однотактного обратноходового преобразователя напряжения является то, что в устройстве цепи рекуперации включены на вторичной стороне трансформатора. Поэтому при значительной индуктивности рассеяния между первичной и вторичной обмотками, а также при высоком значении мощности, передаваемой трансформатором, эти цепи не способны предотвратить скачкообразное нарастание напряжения на транзисторе в моменты его запирания, что приводит к существенным коммутационным потерям.
Известен однотактный преобразователь напряжения, который содержит транзистор
- силовой управляемый ключ, трансформатор с первичной и вторичной обмотками, выпрямитель тока вторичной обмотки и выходной фильтр (выбран в качестве прототипа) [Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. 2-е изд., испр. и доп. - М.: Издательский дом «Додэка XXI», 2001. - 608 с., стр. 16, рис. 7].
Выходная цепь силового транзистора и первичная обмотка трансформатора соединены последовательно и включены между первой и второй шинами питания устройства, а вторичная обмотка через выпрямитель тока этой обмотки подключена к выходному фильтру
Недостатком прототипа является индуктивный характер проводимости первичной обмотки трансформатора, которая включена последовательно с выходной цепью транзистора, что способствует быстрому нарастанию напряжения на транзисторе в процессе его запирании и, как следствие, возникновению значительных коммутационных потерь.
При запирании транзистора напряжение на нем скачкообразно нарастает до уровня, равного сумме напряжения питания и напряжения на первичной обмотке на интервале запертого состояния силового транзистора.
Задачей заявляемого технического решения является создание однотактного преобразователя напряжения с увеличенной энергетической эффективностью процесса преобразования энергии и надежностью устройства.
Технический результат - снижение уровня коммутационных потерь энергии в транзисторе при его запирании, за счет снижения начального скачка напряжения на силовом транзисторе при его запирании и создания условий для плавного нарастания этого напряжения, что повышает надежность работы силового полупроводникового ключа.
Технический результат достигается тем, что однотактный преобразователь напряжения содержит силовой транзистор - силовой управляемый ключ, трансформатор с первичной и вторичной обмотками, выпрямитель тока вторичной обмотки и выходной фильтр, выходная цепь силового транзистора и первичная обмотка трансформатора образуют первую последовательную цепь, которая включена между первой и второй шинами питания, а вторичная обмотка через выпрямитель тока обмотки подключена к выходному фильтру, при этом дополнительно содержит конденсатор, дроссель, первый и второй диоды, обмотка дросселя и первый диод образуют вторую последовательную цепь, первый вывод которой соединен с первой шиной питания, а второй вывод через второй диод подключен ко второй шине питания, причем соединенные последовательно друг с другом второй и первый диоды включены согласно, ко второму выводу второй последовательной цепи подключен первый вывод конденсатора, а второй вывод непосредственно соединен с общей точкой выходной цепи силового транзистора и первичной обмотки трансформатора.
Осуществление изобретения
Заявляемое устройство - однотактный преобразователь напряжения представлен на фиг. 1 и фиг. 2 (второй вариант)
В устройстве (фиг. 1) между первой шиной питания 1 и второй шиной питания 2 включен источник энергии 3 в виде источника напряжения. К шинам питания 1 и 2 подключена первая последовательная цепь. Она образована соединенными последовательно друг с другом выходной цепью силового транзистора 4 и первичной обмоткой 5 трансформатора 6.
Вторичная обмотка 7 трансформатора 6 через выпрямитель 8 тока этой обмотки подключена к конденсатору 9 выходного фильтра. Параллельно этому конденсатору включена нагрузка 10.
Обмотка дросселя 11 соединена последовательно с первым диодом 12. Эти элементы образуют вторую последовательную цепь, и ее первый вывод соединен с первой шиной питания 1. Второй вывод этой цепи через второй диод 13 подключен ко второй шине питания 2.
Между вторым выводом второй последовательной цепи и точкой соединения выходной цепи силового транзистора 4 с первичной обмоткой 5 трансформатора 6 включен конденсатор 14.
Работа устройства
В стационарном режиме работы однотактного преобразователя конденсатор выходного фильтра 9 заряжен до номинального уровня напряжения на нагрузке 10. На интервалах запертого состояния силового транзистора 4 это напряжение трансформируется в первичную обмотку 5, и конденсатор 14 оказывается заряженным до напряжения, которое действует на первичной обмотке 5. Полярность напряжения на конденсаторе - плюс на выводе конденсатора 14, подключенного к точке соединения вывода выходной цепи силового транзистора 4 и первичной обмотки 5, и - минус на выводе конденсатора 14, подключенного к точке соединения второго и первого диодов (13 и 12).
После отпирания силового транзистора 4 ранее заряженный конденсатор 14 разряжается через выходную цепь силового транзистора 4, обмотку дросселя 11 и первый диод 12. Процесс разряда имеет колебательный характер, и в конце этого процесса конденсатор 14 оказывается вновь заряженным до того же уровня, какой имел место на интервале запертого состояния силового транзистора 4. Однако полярность напряжения на конденсаторе 14 - обратная: минус на выводе конденсатора 14, подключенного к точке соединения вывода выходной цепи силового транзистора 4 и первичной обмотки 5, и - плюс на выводе конденсатора 14, подключенного к точке соединения второго и первого диодов (13 и 12).
Если амплитуда напряжения на конденсаторе 14 меньше, чем напряжение питания, то при запирании транзистора 4 напряжение на нем скачкообразно нарастает до уровня, равного разности между питающим напряжением и указанной амплитудой, а затем напряжение начинает нарастать плавно из-за процесса перезаряда конденсатора 14 током первичной обмотки 5.
В схеме устройства по прототипу при запирании транзистора напряжение на нем скачкообразно нарастает до уровня, равного сумме напряжения питания и напряжения на первичной обмотке 5 на интервале запертого состояния силового транзистора 4.
Второй вариант исполнения схемы заявляемого устройства
На фиг. 2 приведен 2-й вариант схемы заявляемого устройства, который отличается от варианта схемы на фиг. 1 тем, что в трансформатор введена дополнительная вторичная обмотка 15. Она соединена последовательно с обмоткой дросселя 11 и первым диодом 12, т.е. дополняет вторую последовательную цепь.
Дополнительная вторичная обмотка 15 трансформатора 6 обеспечивает условия для того, чтобы в колебательном процессе перезаряда конденсатора 14 на интервале состояния высокой проводимости силового транзистора 4 конечное значение напряжения на конденсаторе установилось бы на уровне напряжения питания. При этом отпирается второй диод 13, и излишек энергии, запасенной в дросселе 11, возвращается в источник питания.
Если установить коэффициент трансформации дополнительной обмотки 15 равным половине, то к моменту запирания транзистора 4 конденсатор окажется заряженным до уровня напряжения питания, причем это будет иметь место независимо от значения выходного напряжения однотактного преобразователя. В этом случае при запирании силового транзистора 4 начальный скачок напряжения на нем будет отсутствовать, и напряжение на приборе начнет плавно нарастать практически от нулевого уровня.
Таким образом, применение заявляемого технического решения в обоих вариантах исполнения позволяет снизить начальный скачок напряжения на силовом транзисторе 4 при его запирании и затем создать условие для плавного нарастания этого напряжения. Тем самым снижается уровень коммутационных потерь энергии в транзисторе при его запирании и повышается надежность работы силового полупроводникового ключа.
В целом это способствует повышению надежности преобразователя напряжения и увеличению энергетической эффективности процесса преобразования энергии.
Общие существенные признаки заявляемого устройства с признаками прототипа:
- Выходная цепь силового транзистора и первичная обмотка трансформатора образуют первую последовательную цепь, и она включена между первой и второй шинами питания устройства.
- Вторичная обмотка трансформатора через выпрямитель тока этой обмотки подключена к выходному фильтру.
Существенными отличительными признаками заявляемого устройства являются:
- В устройство введены дополнительно конденсатор, дроссель, а также первый и второй диоды.
- Обмотка дросселя и первый диод образуют вторую последовательную цепь, первый вывод которой соединен с первой шиной питания, а второй вывод через второй диод подключен ко второй шине питания, причем соединенные последовательно друг с другом второй и первый диоды включены согласно.
- Конденсатор включен между вторым выводом второй последовательной цепи и точкой соединения выходной цепи силового транзистора с первичной обмоткой трансформатора.
- Для второго варианта исполнения в трансформатор введена дополнительная вторичная обмотка
Описание дано применительно к обратноходовому однотактному преобразователю напряжения. Однако предлагаемое техническое решение может быть использовано также и в прямоходовом однотактном преобразователе.
Для этого в прямоходовой однотактный преобразователь вводится цепь, ограничивающая напряжение на обмотках трансформатора на интервале запертого состояния силового транзистора. Такая цепь может быть выполнена, например, в виде обмотки трансформатора, которая через диод включена между шинами питания.
Принцип действия цепей, приводимых применительно к обратноходовому преобразователю, и достигаемый при этом положительный эффект сохраняются также и в прямоходовом преобразователе напряжения.
Заявленное изобретение соответствует критерию «новизна», так как из доступных источников информации не выявлены технические решения с такими же существенными признаками.
Заявленное изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень», так как является неочевидным для специалиста.
Заявленное изобретение соответствует критерию «промышленная применимость», так как может быть получено из известных средств и известными методами.