РЕГУЛИРУЕМЫЙ ПОНИЖАЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
CONTROLLED STEP-DOWN DC VOLTAGE CONVERTER

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано в источниках и системах вторичного электропитания.
Известен регулируемый понижающий преобразователь постоянного напряжения (А.с. №1691922, СССР, Н02М 3/18), содержащий входной, выходной и общий выводы для подключения соответственно источника постоянного напряжения и нагрузки, n параллельно подключенных к выходным выводам цепочек, каждая из которых состоит из последовательно соединенных разрядного диода, конденсатора и управляемого разрядного ключа, (n-1) зарядных диодов, каждый из которых включен между разноименными выводами конденсаторов соответствующих смежных цепочек, управляемый зарядный ключ, включенный между входным выводом и зарядной шиной, а также управляемые регулирующие элементы, каждый из которых включен параллельно разрядному диоду соответствующей цепочки и две группы коммутирующих элементов, причем каждый коммутирующий элемент первой группы включен параллельно управляемому разрядному ключу соответствующей цепочки, а каждый коммутирующий элемент второй группы включен между зарядной шиной и общей точкой соединения конденсатора и разрядного ключа соответствующей цепочки, а другие выводы коммутирующих элементов второй группы соединены с зарядной шиной.
Данный преобразователь обладает широким диапазоном регулирования выходного напряжения и при этом обеспечивает полное использование установленной емкости конденсаторов его силовой цепи.
Однако его коэффициент полезного действия сравнительно невысок вследствие потерь мощности на ключевых элементах из-за ярко выраженного импульсного характера зарядного тока, ограничиваемого только активным сопротивлением потерь. Другим недостатком преобразователя является высокий уровень кондуктивной импульсной помехи, создаваемой на выходных зажимах входного источника постоянного напряжения, ввиду синфазности и, следовательно, суммирования амплитуд импульсов зарядных токов однотипных преобразователей, входящих в его состав.
Кроме того, известен регулируемый понижающий преобразователь постоянного напряжения (Патент RU №2323515, Н02М 3/18), являющийся прототипом предлагаемого изобретения, содержащий входной, выходной и общий выводы для подключения соответственно источника постоянного напряжения и нагрузки, n параллельно подключенных к выходным выводам цепочек, каждая из которых состоит из последовательно соединенных разрядного диода, конденсатора и управляемого разрядного ключа, (n-1) зарядных диодов, каждый из которых анодом подключен к отрицательному выводу конденсатора предыдущей цепочки, n управляемых зарядных ключей, включенных между входным выводом и соответствующей зарядной шиной, а также управляемые регулирующие элементы, каждый из которых включен параллельно разрядному диоду соответствующей цепочки, и две группы коммутирующих элементов, причем каждый коммутирующий элемент первой группы включен параллельно управляемому разрядному ключу соответствующей цепочки, а каждый коммутирующий элемент второй группы первым выводом подключен к соответствующей зарядной шине, а вторым выводом второй и последующие коммутирующие элементы второй группы подключены к катодам соответствующих зарядных диодов.
В указанном преобразователе уменьшен уровень создаваемой кондуктивной импульсной помехи. Результат получен благодаря равномерному распределению по периоду импульсов зарядного тока, потребляемого от входного источника постоянного напряжения.
Главные недостатки прототипа - низкий КПД ввиду завышенных коммутационных потерь при заряде конденсаторов через активные сопротивления потерь элементов от входного источника постоянного напряжения и высокий уровень кондуктивной импульсной помехи на зажимах входного источника постоянного напряжения являются следствием одной причины, а именно ярко выраженным импульсным характером зарядного тока, имеющего форму экспоненты.
Задачей предлагаемого изобретения является увеличение КПД и уменьшение уровня кондуктивной импульсной помехи, создаваемой преобразователем на своем входе.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в регулируемый понижающий преобразователь постоянного напряжения, содержащий входной, выходной и общий выводы для подключения соответственно источника постоянного напряжения и нагрузки, n параллельно подключенных к выходному и общему выводам цепочек, каждая из которых состоит из последовательно соединенных разрядного диода, конденсатора и управляемого разрядного ключа, (n-1) зарядных диодов, каждый из которых анодом подключен к отрицательному выводу конденсатора предыдущей цепочки, n управляемых зарядных ключей, включенных между входным выводом и соответствующей зарядной шиной, а также управляемые регулирующие элементы, каждый из которых включен параллельно разрядному диоду соответствующей цепочки, и две группы коммутирующих элементов, причем каждый коммутирующий элемент первой группы включен параллельно управляемому разрядному ключу соответствующей цепочки, а каждый коммутирующий элемент второй группы первым выводом подключен к соответствующей зарядной шине, а вторым выводом второй и последующие коммутирующие элементы второй группы подключены к катодам соответствующих зарядных диодов введены n реакторов, каждый из которых включен между вторым выводом коммутирующего элемента второй группы и положительным выводом конденсатора соответствующей цепочки.
На чертеже приведена структурная схема предлагаемого регулируемого понижающего преобразователя постоянного напряжения. Он содержит n цепочек, состоящих каждая из последовательно соединенных разрядного диода 1, конденсатора 2 и разрядного ключа 3. Отрицательный вывод конденсатора 2 предыдущей цепочки через зарядный диод 4 и реактор 5 соединен с положительным выводом конденсатора 2 последующей цепочки. Управляемые зарядные ключи (6-11) соединяют входной вывод 12 с зарядными шинами (13-18). Параллельно разрядным диодам 1 и управляемым разрядным ключам 3 цепочек подключены соответственно управляемые регулирующие элементы (19-23) и коммутирующие элементы первой группы (24-29). Первый коммутирующий элемент второй группы 30 через реактор 5 соединяет зарядную шину 13 с положительным выводом конденсатора 2 первой цепочки. Вторая группа коммутирующих элементов (31-35) соединяет зарядные шины (14-18) с катодами соответствующих зарядных диодов 4 цепочек. Цепочки подключены параллельно к выходному 36 и общему 37 выводам преобразователя.
Предлагаемый преобразователь работает следующим образом.
Зарядные ключи (6-11) работают поочередно с одинаковой частотой
в режиме меандра со скважностью 2 и сдвигом относительно друг друга на величину  При этом благодаря определенному порядку коммутации коммутирующих элементов (19-23) и (31-35) преобразователь разбивается на N однотипных понижающих преобразователей, подключенных по входу и выходу параллельно и содержащих каждый по n1 цепочек. Например, при n=6, замыкая коммутирующие элементы (20, 30), (22, 32) и 34, получаем три однотипных понижающих преобразователя, содержащих каждый по две цепочки, т.е. N=3, n1=2.
Принцип действия однотипных понижающих преобразователей, входящих в состав предлагаемого устройства, заключается в периодическом последовательном подзаряде конденсаторов от входного источника постоянного напряжения Е с их последующим параллельным разрядом на нагрузку.
В результате уровень выходного напряжения оказывается равным .
При этом благодаря работе зарядных ключей (6-11) со сдвигом
и подключению однотипных преобразователей к зарядным шинам (13, 15 и 17), обеспечивается равномерное распределение по периоду коммутации Т трех одинаковых импульсов зарядных токов со сдвигом относительно друг друга на величину , потребляемых от входного источника постоянного напряжения Е.
Благодаря наличию реакторов 5, заряд конденсаторов однотипных преобразователей осуществляется не импульсами тока экспоненциальной формы, как в прототипе, а сглаженными импульсами, имеющими форму положительной полуволны синусоидального тока
,
где L и С - соответственно величины индуктивности реактора 5 и емкости конденсатора 2 отдельной цепочки,
c
U(0) - начальное напряжение на конденсаторах цепочек,
- волновое сопротивление зарядного контура.
Это позволяет обеспечить режим мягкой коммутации зарядных ключей (6-11), т.е. моменты их открывания и закрывания совпадают с моментами времени , (k=0,1,2,…), когда зарядный ток равен нулю, что приводит к снижению коммутационных потерь и, следовательно, к увеличению КПД преобразователя.
экв
Дискретное регулирование выходного напряжения осуществляется изменением числа цепочек n1 в однотипных преобразователях путем изменения их структуры коммутацией элементов (19-23) и (31-35). Так как заряд конденсаторов в однотипных преобразователях происходит по цепи, состоящей из последовательно соединенных n1 конденсаторов 2 и реакторов 5, то при изменении n1 происходит соответственно пропорциональное и обратно пропорциональное изменение значений эквивалентных индуктивности и емкости зарядного контура L=n1·L и
благодаря чему частота синусоиды импульсов зарядного тока
остается неизменной. Это свойство предлагаемого преобразователя означает, что режим мягкой коммутации зарядных ключей (6-11) и, следовательно, эффект увеличения КПД сохраняется также и при регулировании его выходного напряжения.
Кроме того, ввиду сглаживания формы импульсов зарядного тока резко снижается уровень кондуктивной импульсной помехи на зажимах входного источника постоянного напряжения. Анализ выигрыша по уровню кондуктивной импульсной помехи
определяемый отношением квадратов действующих значений переменных составляющих зарядных токов прототипа и предлагаемого устройства, подтвержденный результатами моделирования дает значение В=4,6 раза для N=2 и n1=3. С увеличением числа однотипных преобразователей - для N=3 и n1=2 значение выигрыша возрастает и дает величину В=19,6 раза.
Таким образом, применение предлагаемого понижающего преобразователя позволяет повысить его КПД и существенно снизить уровень кондуктивной импульсной помехи, создаваемой на зажимах входного источника постоянного напряжения.