УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА В ПОСТОЯННЫЙ

Предлагаемая полезная модель относится к области электротехники, преобразовательной техники и электроники и может быть использована для питания потребителей электроэнергии постоянного тока, требующих большого диапазона изменения уровня питающего напряжения по отношению к первичному источнику, в качестве которого может служить солнечная батарея, электрохимический генератор или другой нетрадиционный источник электроэнергии.
Известно устройство для преобразования постоянного тока в постоянный с возможностью повышения и понижения уровня выходного напряжения по отношению к напряжению источника питания, содержащее первую и вторую индуктивности, первый и второй диод, первый и второй полупроводниковые ключи с первой и второй системой управления, первый и второй конденсаторы. Причем, первый вывод первой индуктивности подключен к первому входу от источника питания, а второй вывод первой индуктивности подключен к аноду первого диода и к первому электроду первого ключа, второй электрод которого подключен ко второму входу от источника питания, а между вторым и третьим электродами первого ключа включена первая система управления. Катод первого диода соединен с первым электродом второго ключа и с первым выводом первого конденсатора, второй вывод которого подключен к первому входу от источника питания и к аноду второго диода, катод которого соединен с первым выводом второй индуктивности и со вторым электродом второго ключа, между вторым и третьим электродами которого включена вторая система управления. Второй вывод второй индуктивности соединен с первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого подключен к аноду второго диода (Силовая электроника. Розанов Ю.К., Рябчинский М.В., Кваснюк А.А. - Учебник для ВУЗов / М. Издательский дом МЭИ, 2007, с.329).
Недостатками этого устройства являются невысокий коэффициент полезного действия из-за повышенной пульсации входного тока и последовательного включения нескольких полупроводниковых приборов в силовой цепи, а также повышенная сложность электрической схемы.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической сущности является устройство для преобразования постоянного тока в постоянный, позволяющее повышать и понижать уровень выходного напряжения по отношению к напряжению источника питания, содержащее первую и вторую магнитно-связанные индуктивности, диод, первый и второй конденсаторы, полупроводниковый ключ и систему управления полупроводниковым ключом, причем, первый вывод первой индуктивности подключен к первому входу от источника питания, второй вывод первой индуктивности соединен с первым выводом первого конденсатора и с первым электродом ключа, первый вывод второй индуктивности соединен с анодом диода, катод которого подключен к первому выводу второго конденсатора, второй вывод которого соединен со вторым выводом второй индуктивности, второй электрод ключа соединен со вторым входом от источника питания, а между вторым и третьим электродами ключа включена его система управления. (Силовая электроника. Розанов Ю.К., Рябчинский М.В., Кваснюк А.А. - Учебник для ВУЗов / М. Издательский дом МЭИ, 2007, с.331. Прототип).
Недостатками устройства являются повышенная нагрузка по току полупроводниковых приборов из-за того, что по ключу и диоду проходят токи и нагрузки и источника питания, что увеличивает в них потери, требует повышения их установленной мощности и снижает к.п.д. устройства. Кроме того, в устройстве ограничена возможность увеличения уровня выходного напряжения по отношению к входному, т.к. в нагрузку передается энергия, накопленная только в одном реактивном элементе - в конденсаторе.
Поставленная задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, заключается в устранении этих недостатков, а именно в снижении токовой нагрузки полупроводниковых приборов, повышении общего к.п.д. устройства и повышения уровня выходного напряжения по отношению к входному.
Поставленная задача решается тем, что в устройство для преобразования постоянного тока в постоянный, содержащее первую и вторую магнитно-связанные индуктивности, диод, первый и второй конденсаторы, полупроводниковый ключ и систему управления полупроводниковым ключом, в котором первый вывод первой индуктивности подключен к первому входу от источника питания, второй вывод первой индуктивности соединен с первым выводом первого конденсатора и с первым электродом ключа, первый вывод второй индуктивности соединен с анодом диода, катод которого подключен к первому выводу второго конденсатора, а между вторым и третьим электродами ключа включена его система управления, дополнительно введены третий конденсатор и второй диод, причем второй вывод второй индуктивности соединен со вторым электродом ключа и с первым выводом третьего конденсатора, второй вывод которого соединен со вторым выводом второго конденсатора и с анодом второго диода, катод которого подключен к аноду первого диода, ко второму выводу первого конденсатора и ко второму входу от источника питания.
Физическая сущность предлагаемой полезной модели состоит в исключении протекания тока источника питания и нагрузки по одним и тем же полупроводниковым элементам, что позволяет снизить их установленную мощность, уменьшить в них потери и тем самым повысить к.п.д. полезной модели. Повышение выходного напряжения по сравнению с прототипом осуществляется за счет использования энергии дополнительных реактивных элементов и за счет изменений в структурной схеме устройства, позволяющих более эффективно использовать имеющиеся реактивные элементы.
На фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемой полезной модели.
Универсальный преобразователь постоянного тока в постоянный, схема которого показана на фиг.1 содержит первую индуктивность 1, вторую индуктивность 2, магнитно-связанную с первой, первый конденсатор 3, второй конденсатор 4, третий конденсатор 5, первый диод 6, второй диод 7, полупроводниковый ключ 8 с первым электродом 9, вторым электродом 10, третьим электродом 11 и системой управления 12. Причем первый вывод 13 индуктивности 1 подключен к первому входу 14 от источника питания, второй вывод 15 индуктивности 1 соединен с первым выводом 16 конденсатора 3 и с первым электродом 9 ключа 8, первый вывод 17 индуктивности 2 соединен с анодом 18 диода 6, катод 19 которого подключен к первому выводу 20 конденсатора 4, второй вывод 21 индуктивности 2 соединен со вторым электродом 10 ключа 8, с первым выводом 22 конденсатора 5, второй вывод 23 которого соединен со вторым выводом 24 конденсатора 4 и с анодом 25 диода 7, катод 26 которого соединен с анодом 18 диода 6, с выводом 17 индуктивности 2, вторым выводом 27 конденсатора 3 и со вторым входом 28 от источника питания. Между вторым электродом 10 и третьим электродом 11 ключа 8 включена его система управления 12.
Универсальный преобразователь постоянного тока в постоянный работает следующим образом. В установившемся режиме процессы, протекающие в полезной модели, можно проследить по диаграмме на фиг.2.
При включенном ключе 8 от момента времени t1 происходит заряд конденсатора 5 по контуру: конденсатор 3 - ключ 8 - конденсатор 5 - диод 7 - конденсатор 3. Заряд конденсатора 5 носит импульсный характер, что видно по кривой тока IC5 на графике №5 диаграммы. Характер и амплитуда этого тока прослеживается по всем элементам контура (ток IC3 на графике №4, ток диода 7 ID7 на графике №6. Амплитуды зафиксированы в момент времени t6). При этом от момента t1 снижается напряжение на конденсаторе 3, что видно по кривой напряжения UC3 на графике №4 диаграммы. Кроме того, от момента t1 нарастает ток в индуктивности 1 и индуктивности 2 от источника питания, что видно по кривой тока IL на графике №3 диаграммы.
В момент времени t2 заканчивается заряд конденсатора 5. Процесс нарастания тока в контуре с индуктивностями 1 и 2 продолжается до момента времени t3. В этот момент
ключ 8 размыкается и ток индуктивности 2 замыкается на нагрузку по контуру: индуктивность 2 - диод 6 - конденсатор 4 - конденсатор 5 - индуктивность 2. В нагрузку передается энергия, накопленная в конденсаторе 5, индуктивности 2 и часть энергии, накопленной в индуктивности 1, магнитно-связанной с индуктивностью 2. В момент t5 отмечены уровни тока конденсатора 5 (кривая IC5 на графике №5) и индуктивности 2 через диод 6 (кривая IL2 на графике №6). С момента t3 начинает увеличиваться напряжение на конденсаторе 3 (кривая UС3 на графике №4) за счет тока индуктивности 1, который с этого момента замыкается по контуру: источник питания - индуктивность 1 -конденсатор 3 - источник питания. На диаграмме фиг.2 видно, что токи конденсатора 3 и индуктивности 1 равны (величины токов указаны в момент времени t5).C момента времени t4 ключ 8 замыкается и процессы в контурах полезной модели повторяются.
Анализируя контура с токовой нагрузкой в процессе работы устройства, можно отметить, что по полупроводниковым приборам не протекают одновременно ток источника питания и нагрузки, как это происходит в прототипе. По ключу 8 протекает только ток источника питания. Ток нагрузки протекает только по диоду 6. Таким образом, токовая нагрузка полупроводниковых приборов существенно уменьшена.
При выключенном ключе 8 в контур нагрузки последовательно включаются конденсатор 5 и индуктивность 2, энергия которых передаются в нагрузку. Кроме того, за счет магнитной связи с индуктивностью 2 в нагрузку передается часть энергии индуктивности 1. Таким образом, структурная схема предлагаемой полезной модели позволяет увеличить уровень выходного напряжения по сравнению с прототипом, что можно видеть на регулировочных характеристиках этих устройств, представленных на фиг.3. Регулировочные характеристики сняты при одинаковых условиях нагружения и управления для обеих моделей.
Анализ кривых уровня выходного напряжения (Uн) для полезной модели (Uн1) и прототипа (Uн2) на фиг.2 позволяет установить, что Uн1>Uн2 в широком диапазоне регулирования, причем с увеличением скважности (Кскв) растет отношение Uн1/Uн2. Следует отметить, что в полезной модели уровень выходного напряжения ниже напряжения источника питания достигается при более глубоком регулировании, т.е. при большем Кскв.
Детальный компьютерный анализ показал, что уменьшение токовой нагрузки полупроводниковых элементов и соответствующее снижение потерь в них позволяет достичь в некоторых режимах увеличения к.п.д. полезной модели на 3-5% по сравнению с прототипом.