ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
CONVERTER

Изобретение относится к электротехнике, в частности к области силовой преобразовательной техники, и может быть использовано во вторичных источниках питания при необходимости обеспечения большой выходной мощности, высокой надежности, гальванической развязки, стабилизации и быстрого изменения выходного постоянного напряжения или тока в пределах от нуля до максимального значения.
Известны обратно ходовые преобразователи, широко применяемые в устройствах для преобразования электрической энергии сети переменного тока в напряжения постоянного тока [1].
Недостатком таких преобразователей является низкий коэффициент полезного действия, а также сложность обеспечения регулировки выходного стабилизированного напряжения или тока от нулевого значения.
Известны полумостовые и мостовые преобразователи.
Недостатком последних являются низкие динамические характеристики, не высокая надежность и сложность схем управления [2, 3].
Наиболее близок к предлагаемому устройству преобразователь из постоянного напряжения в постоянное стабилизированное напряжение или ток [4], в котором последний недостаток частично устранен.
Прототип имеет следующие недостатки.
1. Низкие динамические характеристики.
2. Низкая надежность.
Цель изобретения - повышение динамических характеристик и надежности преобразователей.
Указанная цель достигается тем, что в преобразователь, включающий в себя входной конденсатор; регулируемый стабилизатор тока, состоящий из ключевого элемента, диода, дросселя, датчика тока и схемы сравнения; мостовой преобразователь, имеющий четыре ключевых элемента, трансформатор, выпрямитель и выходной конденсатор; датчик выходного тока; схему управления; элемент гальванической развязки и генератор, дополнительно введены компаратор, вход которого соединен с выходом элемента гальванической развязки, а выход с также дополнительно введенным переключателем режима работы, связанным с четырьмя ключевыми элементами мостового преобразователя и генератором, и кроме того, между входом мостового преобразователя, соединенным с выходом регулируемого стабилизатора тока, и точкой подключения входного напряжения преобразователя к входу регулируемого стабилизатора тока и входному конденсатору, установлен диод.
На фиг.1 показана упрощенная структурная схема преобразователя.
вx
Преобразователь (фиг.1) включает в себя входной конденсатор 3; регулируемый стабилизатор тока 1, состоящий из ключевого элемента 8, диода 9, дросселя 10, датчика тока 11 и схемы сравнения 12; мостовой преобразователь 2, имеющий четыре ключевых элемента 14, 15, 16 и 17, трансформатор 18, выпрямитель 19 и выходной конденсатор 4; датчик выходного тока 5; схему управления 6; элемент гальванической развязки 7 и генератор 13, дополнительно введенный компаратор 22, вход которого соединен с выходом элемента гальванической развязки 7, а выход с также дополнительно введенным переключателем режима работы 21, связанным с четырьмя ключевыми элементами мостового преобразователя 2 и генератором 13, и кроме того, между входом мостового преобразователя 2, соединенным с выходом регулируемого стабилизатора тока 1, и точкой подключения входного напряжения преобразователя U к входу регулируемого стабилизатора тока 1 и входному конденсатору 3, установлен диод 20.
Работает преобразователь следующим образом.
вx
К входным клеммам (U) обычно подключают выпрямитель (однофазный или трехфазный) сетевого напряжения через устройство, ограничивающее максимальную величину зарядного тока через конденсатор 3 при первоначальном включении, или через корректор коэффициента мощности.
С появлением напряжения на конденсаторе 3 включается маломощный источник питания (на Фиг.1 не показан) и на элементы схемы управления 6, схемы сравнения 12, генератора 13, переключателя режимов работы 21 и компаратор 22 поступают питающие напряжения.
вых
Схема управления 6 вырабатывает сигнал рассогласования выходного напряжения (U) или тока преобразователя с установленными величинами и через элемент гальванической развязки 7 подает его на схему сравнения 12 регулируемого стабилизатора тока 1 и компаратор 22.
вых
Схема сравнения 12 вырабатывает включающие импульсы управления для ключевого элемента 8, длительность которых увеличивается, если величина положительного напряжения с выхода элемента гальванической развязки 7 начинает превышать действующее значение выходного тока регулируемого стабилизатора тока и наоборот. В случае, если выходное напряжение U или выходной ток преобразователя начинают превышать установленные в схеме управления 6 значения, выходное напряжение элемента гальванической развязки 7 становится отрицательным, что приводит к срабатыванию компаратора 22 и нулевой длительности включенного состояния ключевого элемента 8. Частота работы ключевого элемента 8 задается генератором 13.
Сигнал с генератора 13 подается на переключатель режима работы 21, выходные сигналы с которого в первом режиме работы приводят к поочередному замыканию ключевых элементов мостового преобразователя. Когда ключевые элементы 14 и 17 замкнуты, ключевые элементы 15 и 16 разомкнуты и на оборот. Если срабатывает компаратор 22, переключатель режимов работы 21 переходит во второй режим работы. Во втором режиме работы в течение всего времени пока поступает сигнал с компаратора 22 ключевые элементы 16 и 17 находятся в замкнутом состоянии, а ключевые элементы 14 и 15 в разомкнутом. Таким образом, с момента включения второго режима работы, энергия, запасенная в дросселе 10, возвращается (рекуперируется) в конденсатор 3 через диод 20. Кроме того, в результате замыкания первичной обмотки трансформатора 18, уменьшается часть энергии, запасенной в индуктивностях рассеяния трансформатора, которая переходит в конденсатор 4.
Преимущества предлагаемого преобразователя заключаются в следующем.
1. Мощные импульсные регулируемые преобразователи, имеют недостаток, заключающийся в том, что при сбросе тока нагрузки, появляется всплеск выходного напряжения. Уменьшают величину этого всплеска до приемлемого значения обычно путем увеличения емкости выходного конденсатора.
Особенно остро эта проблема стоит в преобразователях с регулировкой выходного напряжения от нулевого значения, так как одна и та же энергия, добавленная в выходной конденсатор при минимальном и максимальном значениях напряжения на конденсаторе, дает кардинально отличающиеся величины всплеска выходного напряжения.
В предлагаемом преобразователе при сбросе тока нагрузки запасенная в дросселе энергия переходит в конденсатор на входе преобразователя и не вызывает всплеска выходного напряжения, поэтому по сравнению с прототипом преобразователь имеет более высокие динамические характеристики.
Можно утверждать, что преобразователь постоянного напряжения в постоянное прототипа [4] имеет на входе конденсатор, это приводит к снижению надежности, так как токи через транзисторы мостовой схемы могут превышать допустимые значения, например, при коротком замыкании на выходе. Если предположить, что на входе преобразователя постоянного напряжения в постоянное прототипа конденсатор отсутствует, то всплески напряжения на транзисторах мостовой схемы в процессе переключения могут превышать допустимые значения и в результате снижается надежность.
В предлагаемом преобразователе токи через ключевые элементы мостового преобразователя не могут превышать величину тока дросселя (если не учитывать токи на перезаряд конденсаторов исток - сток и т.д.), а напряжения на ключевых элементах не может быть существенно выше входного напряжения преобразователя. По этому, надежность предлагаемого преобразователя выше надежности прототипа.
Источники информации
1. Data Sheet TOP 242-250.
2. Data Sheet LM5035.
3. ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НА IGBT ДЛЯ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА. Поляков В.Д., Чаколья Э. Международная научно-техническая конференция "Силовая электроника и энергоэффективность" (СЭЭ-2000). Крым. Сентябрь 2000 г.
4. Авторское свидетельство СССР №1089593, кл. G06G 7/63, 1984.