ПОВЫШАЮЩИЙ НАПРЯЖЕНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА В ПОСТОЯННЫЙ

Предлагаемая полезная модель относится к области электротехники, электроники и преобразовательной техники и может быть использована для электроснабжения потребителей постоянного тока повышенными уровнем и стабильностью напряжения по отношению к первичному источнику электропитания, в качестве которого может служить солнечная батарея, электрохимический генератор или другой нетрадиционный источник электроэнергии с нестабильной внешней характеристикой.
Известно устройство для преобразования постоянного тока в постоянный с возможностью повышения и понижения 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 ключа включена 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. Силовая электроника. Учебник для ВУЗов/ М., Издательский дом МЭИ, 2007,с.329).
Недостатком устройства является невысокий коэффициент полезного действия из-за повышенной пульсации входного тока и последовательного включения нескольких полупроводниковых приборов а также увеличенное количество полупроводниковых элементов.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической сущности является устройство для преобразования постоянного тока в постоянный, содержащее первую и вторую магнитно-связанные индуктивности, диод, первый и второй конденсаторы, систему управления полупроводниковым ключом, полупроводниковый ключ, причем первый вывод первой индуктивности подключен к первому входу от источника питания, второй вывод первой индуктивности соединен с первым выводом первого конденсатора, первый вывод второй индуктивности соединен с анодом диода, катод которого подключен к первому выводу второго конденсатора, второй вывод которого соединен с со вторым выводом второй индуктивности, первый электрод ключа соединен со вторым входом от источника питания, между вторым и третьим электродами ключа включена его система управления, а второй вывод первой индуктивности соединен со вторым электродом ключа.(Силовая электроника. Розанов Ю.К., Рябчинский М.В., Кваснюк А.А. Силовая электроника. Учебник для ВУЗов - М., Издательский дом МЭИ, 2007, с 331, прототип).
Недостатком устройства является высокая нагрузка по току полупроводниковых элементов из-за того, что ключ и диод нагружены суммой токов: по ним замыкаются ток нагрузки и источника питания. Это увеличивает в них потери и требует повышенной установленной мощности этих элементов. Кроме того, структурная схема устройства ограничивает возможности получения высокого выходного напряжения по отношению к
входному, т.к. в нагрузку передается энергия, накопленная только в одном реактивном элементе - первой индуктивности.
Техническая задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, заключается в устранении этих недостатков, а именно в снижении токовой нагрузки полупроводниковых элементов и, соответственно, уменьшении их установленной мощности, а также в повышении уровня выходного напряжения по отношению к входному напряжению
Поставленная техническая задача решается тем, что в устройство для преобразования постоянного тока в постоянный, содержащее первую и вторую магнитно-связанные индуктивности, диод, первый и второй конденсаторы, систему управления полупроводниковым ключом, полупроводниковый ключ, в котором первый вывод первой индуктивности подключен к первому входу от источника питания, второй вывод первой индуктивности соединен с первым выводом первого конденсатора, первый вывод второй индуктивности соединен с анодом диода, катод которого подключен к первому выводу второго конденсатора, первый электрод ключа соединен со вторым входом от источника питания, а между вторым и третьим электродами ключа включена его система управления, дополнительно введены третий конденсатор и третья индуктивность, причем второй вывод первой индуктивности соединен с первым выводом третьего конденсатора, со вторым выводом второй индуктивности и с первым выводом первого конденсатора, второй вывод которого соединен со вторым выводом второго конденсатора и с первым выводом третьей индуктивности, второй вывод которой подключен ко второму входу от источника питания и ко второму выводу третьего конденсатора, первый вывод второй индуктивности соединен со вторым электродом ключа.
Физическая сущность предлагаемой полезной модели состоит в исключении протекания суммарного тока источника питания и нагрузки по полупроводниковым элементам устройства, что позволяет снизить их токовую нагрузку и, соответственно, установленную мощность, а также снизить в них потери. Кроме того, дополнительные реактивные элементы обеспечивают накопление и передачу в нагрузку от источника питания повышенный уровень энергии, что дает возможность поднять уровень напряжения на выходе устройства по сравнению с прототипом.
На фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемой полезной модели.
Повышающий преобразователь постоянного тока в постоянный ток, схема которого показана на фиг.1, содержит первую индуктивность 1, вторую индуктивность 2, магнитно-связанную с первой, третью индуктивность 3, первый конденсатор 4, второй конденсатор 5, третий конденсатор 6, диод 7, полупроводниковый ключ 8 с первым электродом 9, вторым электродом 10, третьим электродом 11, систему управления 12. Причем первый вывод 13 индуктивности 1 подключен к первому входу 14 от источника питания, второй вывод 15 от индуктивности 1 соединен с первым выводом 16 конденсатора 4, первый вывод 17 индуктивности 2 соединен с анодом 18 диода 7, катод 19 которого подключен к первому выводу 20 второго конденсатора 5, первый электрод 9 ключа 8 соединен со вторым входом 21 от источника питания, а между вторым электродом 10 и третьим электродом 11 ключа включена его система управления 12. При этом второй вывод 15 первой индуктивности 1 соединен с первым выводом 22 третьего конденсатора 6, вторым выводом 23 второй индуктивности 2 и с первым выводом 16 второго конденсатора 4, второй вывод 24 которого соединен со вторым выводом 25 второго конденсатора 5 и с первым выводом 26 третьей индуктивности 3, второй вывод 27 которой подключен ко второму входу 21 от источника питания и ко второму выводу 28 третьего конденсатора 6, первый вывод! 7 второй индуктивности 2 соединен со вторым электродом 10 ключа 8.
Полезная модель работает следующим образом.
В установившемся режиме при включенном ключе 8 происходит заряд конденсатора 4 по контуру: конденсатор 6 - конденсатор 4 - индуктивность 3 - конденсатор 6. При этом,
как видно по диаграмме, представленной на фиг.2, напряжение на конденсаторе 6 снижается (кривая Uc6 на графике №4),начиная от момента t1 (включение ключа 8) до момента t2 (выключение ключа). Величина тока зарядки конденсатора 4 равна току нагрузки, что видно из графика №2, где ток индуктивности контура зарядки IL3 равен току Iн нагрузки, а также из графика №5 по кривой тока Iс4, также равного по величине току нагрузки.
Одновременно на интервале времени t1-t2 нарастает ток в индуктивностях 1 и 2 по контуру: источник питания- индуктивность 1 - индуктивность 2 - ключ 8 - источник питания. Увеличение тока в этом контуре отражено на графике №3, где представлены кривые тока источника питания Iвх и тока ключа Iкл.
В момент времени t 2 (окончание 1 периода работы устройства и начало 2 периода по диаграмме на фиг.2) ключ 8 размыкается. В этот момент на ключе формируется некоторое перенапряжение, что видно по кривой Uкл напряжения на ключе на графике №4 диаграммы. Это объясняется тем, что используемая для расчета программа MICRO-САР-5 учитывает физические процессы в полупроводниках и других элементах устройства, приближая их к реальным. В связи с этим, в компьютерной модели применяются известные способы подавления перенапряжений и ограничение токов при коммутациях, как и в реальных установках.
С момента времени t2 ток индуктивности 2 переключается в цепь нагрузки по контуру: индуктивность 2 - диод 7 - конденсатор 5 - конденсатор 4 - индуктивность 2. При этом в передается энергия, накопленная в индуктивности 2, магнитно-связанной с ней индуктивности 1, а также энергия конденсатора 4. Использование в предлагаемом устройстве нескольких реактивных элементов, накапливающих энергию для передачи ее от источника питания в нагрузку позволяет поднять выходное напряжение по отношению к напряжению источника на более высокий уровень, чем в прототипе. В представленной на фиг.2 диаграмме выходное напряжение равно 58.3 В (кривая uh на графике №1), что на 25% выше, чем в прототипе, в котором достигается уровень напряжения 46.3 В для тех же условий. В диапазоне сопоставимых изменений режимов новое устройство имеет более высокое напряжение на (15 - 30)%. Заряд и разряд конденсатора 4 происходит в различных режимах. Ток заряда конденсатора равен току нагрузки, как отмечалось выше. Интеграл тока разряда конденсатора 4 на интервале времени t1-t2 должен быть равен интегралу тока нагрузки за период тактовой частоты работы ключа (в установившемся режиме).
На интервале времени t2-t3 напряжение на ключе 8 растет, что видно по кривой Uкл на графике №4. Это происходит за счет увеличения напряжения на конденсаторе 4 в процессе его перезаряда током индуктивности 2 и соответствующего увеличения напряжения на индуктивностях 1 и 2. Максимальное напряжение на ключе 8 определяется напряжением на нагрузке плюс максимальное напряжение на конденсаторе 4.
На интервале времени t2-t3 растет напряжение на конденсаторе 6, как видно по кривой Uc6 графика №4 диаграммы, что объясняется ростом напряжения на индуктивности 1 в процессе передачи энергии из цепи источника питания в нагрузку.
Анализируя цепи тока источника питания и нагрузки, можно констатировать, что в структурной схеме предлагаемой полезной модели эти токи не суммируются на полупроводниковых приборах, в отличие от прототипа. Более того, в контур перезаряда конденсатора 4:источник питания - индуктивность 1 - конденсатор 4 - индуктивность 3 - источник питания, - полупроводниковые элементы не входят.
Используя данные графика №5 диаграммы, можно подсчитать, что по диоду протекает ток ID, средняя величина которого равна току нагрузки. Время импульса тока через диод 24 мкс, величина тока 7.236 А, время периода тактовой частоты работы устройства 120 мкс. Средний ток диода IDср=7.236*24/120=1.45А, что совпадает с данными графика №2.
По ключу замыкается только ток источника питания, что видно по графику №3 диаграммы, где средние значения токов Iвх и тока ключа Iкл равны.
Таким образом, в предлагаемой полезной модели полупроводниковые элементы имеют меньшую токовую нагрузку, чем в прототипе, что позволяет снизить их установленную мощность и уменьшить в них потери.