ДВУХТАКТНЫЙ КОМБИНИРОВАННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ
TWO-CYCLE COMBINED VOLTAGE CONVERTER

Изобретение относится к электротехнике, радиоэлектронике и предназначено для использования в источниках вторичного электропитания в качестве преобразователя постоянного напряжения в постоянное.
Известен однотактный комбинированный преобразователь из статьи «Устройства заряда на базе однотактных комбинированных преобразователей», журнал «Силовая электроника», №1, 2004 г., с. 74-75, рис. 4. Данный преобразователь содержит первый и второй входы, первый и второй МДП-транзисторы с n-каналом, первый и второй трансформаторы, первый, второй, третий и четвертый диоды, первый и второй выходы. Причем исток первого МДП-транзистора с n-каналом подключен к первому входу. Сток первого МДП-транзистора с n-каналом подключен к началу первичной обмотки первого трансформатора, конец которой соединен с началом первичной обмотки второго трансформатора, конец которой соединен с истоком второго МДП-транзистора с n-каналом, сток которого соединен со вторым входом. Катод первого диода соединен с первым входом, анод первого диода соединен с концом первичной обмотки второго трансформатора. Катод второго диода соединен с началом первичной обмотки первого преобразователя, анод первого диода соединен со вторым входом. Начало вторичной обмотки первого трансформатора соединено с анодом третьего диода, катод которого соединен с первым выходом. Конец вторичной обмотки первого трансформатора соединен со вторым выходом. Начало вторичной обмотки второго трансформатора соединено со вторым выходом. Конец вторичной обмотки второго трансформатора соединен с анодом четвертого диода, катод которого соединен со вторым выходом.
Недостатками данного решения являются низкая надежность и низкий КПД преобразователя: использование немагнитного зазора в сердечниках трансформаторов приводит к увеличению объема магнитного материала, усложнению конструкции. Для размагничивания сердечников трансформаторов в решении предусмотрено использование цепей, содержащих дополнительные диоды, которые своими потерями снижают надежность и КПД преобразователя.
Известен полумостовой резонансный преобразователь напряжения с регулируемым рабочим циклом из патента US 7948775 с датой приоритета 24.05.2011 г. (прототип).
Данное устройство содержит первый и второй входы, первый и второй МДП-транзисторы с n-каналом со встроенным диодом, резонансный дроссель, резонансную емкость, трансформатор с двумя вторичными обмотками со средней точкой, первый и второй диоды, выходной конденсатор. Исток первого МДП-транзистора с n-каналом со встроенным диодом подключен к первому входу, сток которого подключен ко второму МДП-транзистору с n-каналом со встроенным диодом, сток которого подключен ко второму входу. Первый вывод резонансного дросселя подключен к истоку второго МДП-транзистора с n-каналом со встроенным диодом, второй вывод которого подключен к началу первичной обмотки трансформатора, конец которой подключен к первому выводу резонансного конденсатора, второй вывод которого подключен ко второму входу. Начало первой вторичной обмотки трансформатора подключено к аноду первого выпрямительного диода, катод которого подключен к первому выходу, конец первой вторичной обмотки трансформатора подключен ко второму выходу. Конец второй вторичной обмотки трансформатора подключен к аноду второго выпрямительного диода, катод которого подключен к первому выходу, начало второй вторичной обмотки трансформатора подключено ко второму выходу. Первый вывод выходного конденсатора подключен к первому выходу, второй вывод выходного конденсатора подключен ко второму выходу.
Недостатками данного устройства являются низкий КПД и низкая надежность. В полумостовом резонансном преобразователе используются два магнитных элемента: дроссель и трансформатор, а в передаче энергии в нагрузку принимает участие только один элемент - трансформатор и, как следствие, потери в дросселе снижают КПД устройства. Использование многообмоточного трансформатора усложняет конструкцию, снижает надежность преобразователя. Напряжение на конденсаторе в резонансе достигает высоких значений, что вызывает динамические потери в нем в процессе перезаряда, что снижает надежность и КПД преобразователя.
Технические результаты заявляемого изобретения заключаются в повышении надежности, увеличении КПД и упрощении конструкции преобразователя постоянного напряжения в постоянное, который может быть использован в источниках вторичного электропитания.
Для достижения указанных технических результатов двухтактный комбинированный преобразователь напряжения содержит положительный вход преобразователя, соединенный со стоком первого МДП-транзистора с n-каналом со встроенным диодом, исток которого соединен со стоком второго МДП-транзистора с n-каналом со встроенным диодом, исток которого соединен с отрицательным входом преобразователя. Первый вывод входного конденсатора соединен с положительным входом преобразователя, второй вывод входного конденсатора соединен с отрицательным входом преобразователя. Начало первичной обмотки второго трансформатора соединено с положительным входом преобразователя, конец первичной обмотки второго трансформатора соединен с началом первичной обмотки первого трансформатора, конец которой соединен с первым выводом накопительного конденсатора, второй вывод которого соединен с истоком первого и стоком второго МДП-транзистора с n-каналом со встроенным диодом. Конец вторичной обмотки второго трансформатора соединен с анодом второго диода, катод которого соединен с положительным выходом преобразователя. Начало вторичной обмотки второго трансформатора соединено с отрицательным выходом преобразователя. Начало вторичной обмотки первого трансформатора соединено с анодом первого диода, катод которого соединен с положительным выходом преобразователя. Конец вторичной обмотки первого трансформатора соединен с отрицательным выходом преобразователя. Выходной конденсатор подключен между положительным и отрицательным выходами преобразователя.
Включение транзисторов происходит при нуле тока, так как в момент включения ток ограничивается индуктивностью первичной обмотки одного из трансформаторов, который не передает ток в нагрузку. При выключении транзисторов ток первичных обмоток трансформаторов не прерывается, а перенаправляется в цепь параллельного диода другого транзистора. При этом используется простая схема управления, не требующая обеспечения режима резонанса.
Двухтактный комбинированный преобразователь напряжения содержит два одинаковых трансформатора, имеющих одну первичную и одну вторичную обмотку, габаритная мощность каждого равна половине от необходимой мощности преобразователя. Намагничивание обоих трансформаторов происходит по полной петле гистерезиса, что обуславливает минимальный объем магнитного материала сердечников трансформаторов и отсутствие немагнитного зазора.
На фиг. 1 представлена схема двухтактного комбинированного преобразователя напряжения, где:
1 - входной конденсатор;
2 - накопительный конденсатор;
3 - выходной конденсатор;
4 - второй МДП-транзистор с n-каналом со встроенным диодом;
5.1 - положительный вход преобразователя;
5.2 - отрицательный вход преобразователя;
6 - второй трансформатор;
7 - первый трансформатор;
8 - второй диод;
9.1 - положительный выход преобразователя;
9.2 - отрицательный выход преобразователя;
10 - первый диод;
11 - первый МДП-транзистор с n-каналом со встроенным диодом.
На фиг. 2 представлена временная диаграмма работы преобразователя, показывающая форму выходного тока и формы токов в обмотках трансформатора в зависимости от сигналов управления.
Двухтактный комбинированный преобразователь напряжения содержит положительный вход (5.1), соединенный со стоком первого МДП-транзистора с n-каналом со встроенным диодом (11), исток которого соединен со стоком второго МДП-транзистора с n-каналом со встроенным диодом (4), исток которого соединен с отрицательным входом (5.2). Первый вывод входного конденсатора (1) соединен с положительным входом (5.1), второй вывод входного конденсатора (1) соединен с отрицательным входом (5.2). Начало первичной обмотки второго трансформатора (6) соединено с положительным входом преобразователя (5.1), конец первичной обмотки второго трансформатора (6) соединен с началом первичной обмотки первого трансформатора (7), конец которой соединен с первым выводом накопительного конденсатора (2), второй вывод которого соединен с истоком первого (11) и стоком второго МДП-транзистора с n-каналом со встроенным диодом (4).
Конец вторичной обмотки второго трансформатора (6) соединен с анодом второго диода (8), катод которого соединен с положительным выходом преобразователя (9.1). Начало вторичной обмотки второго трансформатора (6) соединено с отрицательным выходом преобразователя (9.2). Начало вторичной обмотки первого трансформатора (7) соединено с анодом первого диода (10), катод которого соединен с положительным выходом преобразователя (9.1). Конец вторичной обмотки первого трансформатора (7) соединен с отрицательным выходом преобразователя (9.2). Выходной конденсатор (3) подключен между положительным (9.1) и отрицательным (9.2) выходами преобразователя.
Функционирование заявляемого двухтактного комбинированного преобразователя напряжения происходит следующим образом.
В рассматриваемый установившийся момент времени напряжение входного источника постоянного тока стабилизировано и не равно нулю. Входной конденсатор (1) заряжен, накопительный конденсатор (2) заряжен, выходной конденсатор (3) заряжен.
упр2
упр2
В первом такте на затвор второго МДП-транзистора с n-каналом со встроенным диодом (4) подается сигнал управления U, частота импульсов которого зависит от входного и выходного напряжения преобразователя и регулируется контроллером управления, как показано на примере временной диаграммы (фиг. 2). В момент времени, когда значение сигнала управления U равно напряжению включения транзистора, сопротивление канала второго МДП-транзистора с n-каналом со встроенным диодом (4) уменьшается, вследствие чего по цепи положительный вход преобразователя (5.1) - первичная обмотка второго трансформатора (6) - первичная обмотка первого трансформатора (7) - накопительный конденсатор (2) - второй МДП-транзистор с n-каналом со встроенным диодом (4) - отрицательный вход преобразователя (5.2) начинает протекать ток. Одновременно происходит заряд накопительного конденсатора (2). Так как второй диод (8) закрыт, во втором трансформаторе (6) накапливается энергия. Энергия, передаваемая первым трансформатором (7), протекает в виде тока по цепи отрицательный выход преобразователя (9.2) - вторичная обмотка первого трансформатора (7) - первый диод (10) - положительный выход преобразователя (9.1) в нагрузку.
упр2
После перехода сигнала U в выключенное состояние второй МДП-транзистор с n-каналом со встроенным диодом (4) закрывается. Энергия, запасенная в индуктивностях первого (7) и второго (6) трансформаторов, начинает протекать в виде тока по цепи первичная обмотка второго трансформатора (6) - первичная обмотка первого трансформатора (7) - накопительный конденсатор (2) - встроенный диод первого МДП-транзистора с n-каналом (11). Энергия, накопленная во втором трансформаторе (6), начинает протекать в виде тока по цепи отрицательный выход преобразователя (9.2) - вторичная обмотка второго трансформатора (6) - второй диод (8) - положительный выход преобразователя (9.1) в нагрузку.
упр1
упр2
Во втором такте на затвор первого МДП-транзистора с n-каналом со встроенным диодом (11) подается сигнал управления U, частота импульсов которого зависит от входного и выходного напряжения преобразователя и регулируется контроллером управления, как показано на примере временной диаграммы (фиг. 2). В момент времени, когда значение сигнала управления U равно напряжению включения транзистора, сопротивление канала первого МДП-транзистора с n-каналом со встроенным диодом (11) уменьшается, вследствие чего по цепи накопительный конденсатор (2) - первичная обмотка первого трансформатора (7) - первичная обмотка второго трансформатора (6) - первый МДП-транзистор с n-каналом со встроенным диодом (11) начинает протекать ток. Так как первый диод (10) закрыт, в первом трансформаторе (7) накапливается энергия. Энергия, передаваемая вторым трансформатором (6), протекает в виде тока по цепи отрицательный выход преобразователя (9.2) - вторичная обмотка трансформатора (6) - второй диод (8) - положительный выход преобразователя (9.1) в нагрузку.
упр2
После перехода сигнала U в выключенное состояние МДП-транзистор с n-каналом со встроенным диодом (11) закрывается. Энергия, запасенная в индуктивностях первого (7) и второго (6) трансформаторов, начинает протекать в виде тока по цепи первичная обмотка второго трансформатора (6) - входной конденсатор (1) - встроенный диод второго МДП-транзистора с n-каналом (4) - накопительный конденсатор (2) - первичная обмотка первого трансформатора 7. Энергия, накопленная в трансформаторе 7, передается в виде тока по цепи отрицательный выход преобразователя 9.2 - вторичная обмотка второго трансформатора (7) - первый диод (10) - положительный выход преобразователя (9.1) в нагрузку.
Повышение надежности, увеличение КПД и упрощение конструкции двухтактного комбинированного преобразователя напряжения обеспечивается тем, что устройство содержит положительный вход преобразователя, соединенный со стоком первого МДП-транзистора с n-каналом со встроенным диодом, исток которого соединен со стоком второго МДП-транзистора с n-каналом со встроенным диодом, исток которого соединен с отрицательным входом преобразователя. Первый вывод входного конденсатора соединен с положительным входом преобразователя, второй вывод входного конденсатора соединен с отрицательным входом преобразователя. Начало первичной обмотки второго трансформатора соединено с положительным входом преобразователя, конец первичной обмотки второго трансформатора соединен с началом первичной обмотки первого трансформатора, конец которой соединен с первым выводом накопительного конденсатора, второй вывод которого соединен с истоком первого и стоком второго МДП-транзистора с n-каналом со встроенным диодом. Конец вторичной обмотки второго трансформатора соединен с анодом второго диода, катод которого соединен с положительным выходом преобразователя. Начало вторичной обмотки второго трансформатора соединено с отрицательным выходом преобразователя. Начало вторичной обмотки первого трансформатора соединено с анодом первого диода, катод которого соединен с положительным выходом преобразователя. Конец вторичной обмотки первого трансформатора соединен с отрицательным выходом преобразователя. Выходной конденсатор подключен между положительным и отрицательным выходами преобразователя.
Включение транзисторов происходит при нуле тока, так как в момент включения ток ограничивается индуктивностью первичной обмотки одного из трансформаторов, который не передает ток в нагрузку. При выключении транзисторов ток первичных обмоток трансформаторов не прерывается, а перенаправляется в цепь параллельного диода другого транзистора. При этом используется простая схема управления, не требующая обеспечения режима резонанса.