ИМПУЛЬСНЫЙ РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ
PULSE VOLTAGE REGULATOR

Предлагаемое устройство относится к силовой преобразовательной технике и реализует энергетически-эффективный импульсный способ регулирования мощности, передаваемой в нагрузку (или нагрузки).
Наиболее близким к предлагаемому устройству является импульсный регулятор, описанный в [1]. В известном устройстве при запирании силовых транзисторов напряжение на их выходных цепях скачкообразно нарастает до значения напряжений на конденсаторах выходного фильтра. Поэтому в силовых транзисторах выделяется существенная энергия коммутационных потерь. Целью технического решения, содержащегося в заявке, является снижение уровня коммутационных потерь и тем самым повышение надежности работы силовых транзисторов и устройства в целом.
Структурными известными признаками импульсного регулятора, рассматриваемого в качестве прототипа, является то, что известное устройство содержит:
- линейный трансформатор с первой и второй силовыми обмотками с равными числами витков;
- первый и второй силовые транзисторы (силовые управляемые ключи);
- первый и второй силовые диоды;
- первый и второй конденсаторы входного фильтра;
- первый и второй конденсаторы выходного фильтра.
Известные признаки топологии предлагаемого устройства состоят в следующем:
- между первой и второй шинами питания включены соединенные последовательно первая силовая обмотка линейного трансформатора, выходная цепь первого силового транзистора, выходная цепь второго силового транзистора и вторая силовая обмотка линейного трансформатора;
- первый вывод (начало) первой силовой обмотки непосредственно соединен с первой шиной питания;
- второй вывод второй силовой обмотки непосредственно соединен со второй шиной питания;
- параллельно выходной цепи первого силового транзистора включена цепь из первого силового диода и первого конденсатора выходного фильтра, которые соединены последовательно;
- параллельно выходной цепи второго силового транзистора включена цепь из второго силового диода и второго конденсатора выходного фильтра, которые соединены последовательно;
- общая точка первого и второго конденсаторов входного фильтра непосредственно соединена с помощью выходной нулевой шины с общей точкой выходных цепей первого и второго силовых транзисторов;
- общая точка первого и второго конденсаторов выходного фильтра непосредственно соединена с помощью выходной нулевой шины с общей точкой выходных цепей первого и второго силовых транзисторов;
- в последовательной цепи, образованной первым силовым диодом, первым и вторым конденсаторами выходного фильтра и вторым силовым диодом, совпадают вентильные проводимости силовых диодов.
Отличительные структурные признаки предлагаемого устройства состоят в том, что:
- в устройство дополнительно введены дроссель, первый, второй и третий диоды, а также первый и второй конденсаторы.
Отличительные признаки топологии предлагаемого устройства состоят в следующем:
- обмотка дросселя и первый диод образуют дополнительную последовательную цепь;
- первый вывод упомянутой дополнительной последовательной цепи через второй диод подключен к первой шине питания и, кроме того, через первый конденсатор подключен к точке соединения второго вывода первой силовой обмотки линейного трансформатора с первым силовым транзистором;
- второй вывод дополнительной последовательной цепи через третий диод подключен ко второй шине питания и, кроме того, через второй конденсатор подключен к точке соединения первого вывода второй силовой обмотки линейного трансформатора со вторым силовым транзистором;
- в цепи, содержащей соединенные последовательно первый, второй и третий диоды, совпадают их вентильные проводимости, т.е. диоды включены согласно.
Усовершенствованный вариант предлагаемого устройства отличается по структуре тем, что линейный трансформатор дополнен третьей обмоткой.
Отличительные признаки топологии усовершенствованного варианта устройства состоят в следующем:
- третья обмотка линейного трансформатора введена в дополнительную последовательную цепь и включена последовательно с обмоткой дросселя и первого диода;
- первый вывод (начало) третьей обмотки обращен к первой шине питания, а второй вывод этой обмотки - ко второй шине питания.
Сформулированная выше цель решается предлагаемыми устройствами, благодаря сочетанию в нем известных и отличительных признаков.
Электрическая схема импульсного регулятора напряжения представлена на фиг. 1. Схема усовершенствованного варианта устройства приведена на фиг. 2.
В схеме на фиг. 1 входная цепь импульсного регулятора присоединена к шинам питания 1 и 2, к которым подключен источник постоянного напряжения 3, являющийся источником преобразуемой энергии.
Между положительной и отрицательной шинами 1 и 2 включена цепь, образованная конденсаторами 4 и 5 входного фильтра импульсного регулятора, соединенными последовательно. Средняя точка этой цепи, т.е. общая точка конденсаторов 4 и 5, непосредственно соединена с нулевой выходной шиной 6 устройства.
Между шинами питания 1 и 2 включены соединенные последовательно первая силовая обмотка 7 линейного трансформатора 8, выходная цепь первого силового транзистора 9 (силового управляемого ключа), выходная цепь второго силового транзистора 10, вторая силовая обмотка 11 линейного трансформатора 8. При этом первая силовая обмотка 7 соединена с первой шиной питания 1 одним выводом этой обмотки (например, началом), а вторая силовая обмотка 11 подключена ко второй шине питания 2 другим выводом (концом).
Параллельно выходным цепям первого и второго силовых транзисторов 9 и 10 включена цепь, состоящая из соединенных последовательно первого силового диода 12, первого конденсатора 13 выходного фильтра, второго конденсатора 14 выходного фильтра и второго силового диода 15. В указанной последовательной цепи совпадают вентильные проводимости первого и второго силовых диодов 12 и 15, а общая точка первого и второго конденсаторов 13 и 14 соединена с общей точкой выходных цепей первого и второго силовых транзисторов 9 и 10 нулевой выходной шиной 6.
Обмотка 16 дросселя и первый диод 17 образуют дополнительную последовательную цепь.
Первый вывод упомянутой дополнительной последовательной цепи через второй диод 18 подключен к первой шине 1 питания и, кроме того, через первый конденсатор 19 подключен к точке соединения второго вывода первой силовой обмотки 7 линейного трансформатора 8 с первым силовым транзистором 9.
Второй вывод дополнительной последовательной цепи через третий диод 20 подключен ко второй шине питания и, кроме того, через второй конденсатор 21 подключен к точке соединения первого вывода второй силовой обмотки 11 линейного трансформатора 8 со вторым силовым транзистором 10.
В цепи, содержащей соединенные последовательно обмотку 16 дросселя, а также диоды 17, 18 и 20, вентильные проводимости этих диодов совпадают.
Параллельно первому конденсатору 13 выходного фильтра в схеме, изображенной на фиг. 1, включена нагрузка 22, а параллельно второму конденсатору 14 выходного фильтра - нагрузка 23.
Принцип действия предлагаемого устройства, схема которого представлена на фиг. 1, состоит в следующем.
Импульсами управления силовые транзисторы 9 и 10 синхронно переводятся в состояние высокой или низкой проводимости.
Отпирание силовых транзисторов 9 и 10 вызывает образование первой последовательной цепи. В ней находятся:
- первая шина питания 1 (положительная);
- первая обмотка 7 линейного трансформатора 8;
- выходная цепь силового транзистора 9;
- выходная цепь силового транзистора 10;
- вторая обмотка 11 линейного трансформатора 8;
- вторая шина питания 2 (отрицательная).
В указанной последовательной цепи протекает ток. Его направление соответствует порядку перечисленных выше элементов этой цепи.
Поскольку силовые транзисторы 9 и 10 переведены в проводящее состояние, падения напряжения на их выходных цепях пренебрежимо малы в сравнении с разностью потенциалов между шинами 1 и 2. Поэтому эта разность потенциалов оказывается практически полностью приложенной к обмоткам 7 и 11 линейного трансформатора 8, которые соединены последовательно и согласно.
Действие напряжения, приложенного к обмоткам 7 и 11, вызывает увеличение тока этих обмоток. Это означает, что на интервале проводимости силовых транзисторов 9 и 10 линейный трансформатор 8 запасает энергию, которая поступает в него от источника напряжения 3.
Из-за равенства чисел витков обмоток 7 и 11 линейного трансформатора 8 напряжение, приложенное к этим обмоткам, делится между ними поровну. Поэтому по отношению к общей выходной шине 6 первая шина 1 имеет положительный потенциал, равный половине напряжения питания, а шина 2 - отрицательный потенциал, также равный половине питающего напряжения. Соответственно конденсаторы 4 и 5 входного фильтра в предлагаемом устройстве оказываются заряженными до одинакового напряжения, которое равно половине напряжения питания.
На интервале проводящего состояния силовых транзисторов 9 и 10, кроме упомянутой первой последовательной цепи, возникает вторая в виде LC-контура. В нем находятся:
- обмотка 16 дросселя;
- первый диод 17;
- первый конденсатор 19;
- выходная цепь первого силового транзистора 9;
- выходная цепь второго силового транзистора 10;
- второй конденсатор 21.
Непосредственно перед моментом одновременного отпирания силовых транзисторов 9 и 10 конденсаторы 19 и 21 оказываются заряженными.
Конденсатор 19 заряжен до напряжения, действующего на силовой обмотке 7 линейного трансформатора 8. Это напряжение равно разности между положительным потенциалом на конденсаторе 13 выходного фильтра и меньшим по величине положительным потенциалом первой шины 1.
Конденсатор 21 заряжен до напряжения, действующего на силовой обмотке 11 линейного трансформатора 8. Это напряжение равно разности между отрицательным потенциалом на конденсаторе 14 выходного фильтра и меньшим по абсолютной величине отрицательным потенциалом второй шины 2.
При отпирании силовых транзисторов 9 и 10, вследствие наличия указанных начальных напряжений на конденсаторах 19 и 21, в дополнительном последовательном контуре возникает колебательный процесс. В ходе процесса конденсаторы перезаряжаются, и в момент окончания колебательного процесса конденсаторы 19 и 21 оказываются заряженными практически до начального напряжения, но обратного по полярности.
В момент запирания силовых транзисторов 9 и 10 напряжение на них скачкообразно нарастает до момента отпирания диодов 18 и 20. После их отпирания начинается процесс перезаряда конденсаторов 19 и 21 токами силовых обмоток 7 и 11. Во время этого процесса напряжение на силовых транзисторах 9 и 10 плавно нарастает. Нарастание напряжения происходит до момента отпирания силовых диодов 12 и 15. После этого токи силовых обмоток 7 и 11 замыкаются через силовые диоды 12 и 15, и напряжения на силовых транзисторах 9 и 10 устанавливается практически равным напряжению на конденсаторах 13 и 14 выходного фильтра.
В состоянии проводимости силовых диодов 12 и 15 положительное напряжение, до которого заряжен первый конденсатор 13, превышает положительный потенциал первой шины 1 питания на величину напряжения на первой силовой обмотке 7 линейного трансформатора 8. Отрицательное напряжение, до которого заряжен второй конденсатор 14, ниже отрицательного потенциала второй шины 2 на величину напряжения на второй силовой обмотке 11. Поскольку одинаковы по модулю положительный потенциал шины 1 и отрицательный потенциал шины 2, а также одинаковы напряжения на обмотках 7 и 11 линейного трансформатора 8, которые выполнены с одинаковыми числами витков, то оказываются одинаковыми напряжения на конденсаторах 13 и 14 выходного фильтра.
В устройстве, которое рассматривается в качестве прототипа [1], в момент запирания силовых транзисторов напряжение на них нарастает скачкообразно до уровня напряжений на конденсаторах выходных фильтров.
В предлагаемом устройстве во время процесса запирания силовых транзисторов напряжение на них скачкообразно нарастает до меньшего значения, а затем нарастает плавно во времени до уровня напряжений на конденсаторах выходных фильтров. Тем самым снижаются коммутационные потери энергии, выделяющейся в транзисторах при запирании, что повышает надежность их работы, а также надежность работы устройства в целом. Таким образом, достигается поставленная цель предлагаемого технического решения.
В схеме усовершенствованного варианта устройства, представленной на фиг. 2, напряжение на силовых транзисторах 9 и 10 при их запирании начинает плавно нарастать от нулевого значения, т.е. отсутствует скачок напряжения на них в момент запирания. Это способствует дополнительному снижению коммутационных потерь в транзисторах.
Работа устройства на фиг. 2 происходит следующим образом.
При отпирании силовых транзисторов 9 и 10 в LC-контуре возникает колебательный процесс перезаряда конденсаторов 19 и 21.
В LC-контуре содержатся:
- третья обмотка 24 линейного трансформатора 8;
- обмотка 16 дросселя;
- первый диод 17;
- первый конденсатор 19;
- выходная цепь первого силового транзистора 9;
- выходная цепь второго силового транзистора 10;
- второй конденсатор 21.
На интервале проводящего состояния силовых транзисторов 9 и 10 в третью обмотку трансформируется напряжение. Если число витков третьей обмотки 24 выбрано равным числам витков силовых обмоток 7 и 11 линейного трансформатора 8, то, независимо от величины начальных напряжений на конденсаторах 19 и 21, колебательный процесс завершится отпиранием диодов 18 и 20.
После момента отпирания диодов 18 и 20 первый и второй конденсаторы 19 и 21 оказываются заряженными практически до напряжений, величины которых равны потенциалам первой и второй шин питания 1 и 2 относительно нулевой выходной шины 6, т.е. равны половине напряжения питания. Далее ток обмотки 16 дросселя замыкается по контуру: обмотка 16 → первый диод 17 → второй диод 18 →  источник 3 напряжения питания (навстречу источнику) → третий диод 20 → третья обмотка 24 линейного трансформатора 8 (направление тока и полярность напряжения на обмотке 24 совпадают) → обмотка 17 дросселя. Поскольку напряжение на обмотке 24 меньше напряжения питания, протекание тока по контуру поддерживается, благодаря энергии, запасенной в дросселе. По мере расхода этой энергии ток спадает, и в момент снижения этого тока до нуля диоды 17, 18 и 20 запираются. При этом конденсатор 19 остается заряженным до напряжения на шине 1, а конденсатор 21 - до напряжения на шине 2.
В момент запирания силовых транзисторов 9 и 10 возникают два контура, по которым замыкаются токи силовых обмоток 7 и 11 линейного трансформатора 8. Эти токи протекают по обмоткам в направлении от первого вывода ко второму (от начала к концу), а протекание токов обусловлено энергией, которая запасается в линейном трансформаторе 8 на интервале состояния проводимости силовых транзисторов 9 и 10.
Первый контур образован первой силовой обмоткой 7, первым конденсатором 19 и вторым диодом 18. Протекание тока через диод 18 означает, что вывод конденсатора 19, соединенный с диодом 18, будет находиться под потенциалом шины 1 по отношению к нулевой шине 6. Этот потенциал положителен и составляет половину питающего напряжения. Таким образом, в момент запирания силового транзистора 9 конденсатор 19 оказывается заряженным до напряжения, которое равно потенциалу шины 1. Поэтому в момент запирания транзистора 9 напряжение на его выходной цепи будет практически отсутствовать. Оно будет плавно нарастать от начального нулевого значения по мере перезаряда конденсатора 19 током силовой обмотки 7 линейного трансформатора 8. Когда разность потенциалов на выходной цепи силового транзистора 9 достигнет уровня напряжения на конденсаторе 13 выходного фильтра, отпирается силовой диод 12 и током силовой обмотки 7 конденсатор 13 начинает заряжаться. При этом запирается диод 18, а напряжение на конденсаторе 19 фиксируется на уровне, который равен разности между напряжением на конденсаторе 13 и потенциалом первой шины 1.
Второй контур образован второй силовой обмоткой 11, вторым конденсатором 21 и третьим диодом 20. Протекание тока через диод 20 означает, что вывод конденсатора 21, соединенный с диодом 20, будет находиться под потенциалом шины 2 по отношению к нулевой шине 6. Этот потенциал отрицателен и составляет по модулю половину питающего напряжения. В момент запирания силового транзистора 10 конденсатор 21 заряжен до напряжения, которое равно потенциалу шины 2. Поэтому в момент запирания транзистора 10 напряжение на его выходной цепи будет практически отсутствовать. Оно будет плавно нарастать от начального нулевого значения по мере перезаряда конденсатора 21 током силовой обмотки 11 линейного трансформатора 8. Когда разность потенциалов на выходной цепи силового транзистора 10 достигнет отрицательного по знаку напряжения на конденсаторе 14 выходного фильтра, отпирается силовой диод 15 и током силовой обмотки 11 конденсатор 14 начинает заряжаться. При этом запирается диод 20, а напряжение на конденсаторе 21 фиксируется на уровне, который равен разности между отрицательным напряжением на конденсаторе 14 и отрицательным потенциалом второй шины 2.
Благодаря запертому состоянию диодов 17, 18 и 20, напряжение на конденсаторах 19 и 21 сохраняется неизменным до момента отпирания силовых транзисторов 9 и 10, которым начинается очередной цикл работы предлагаемого устройства.
Индуктивность обмотки 17 дросселя выбирается так, чтобы ток в обмотке снизился бы до нуля к моменту начала каждого нового цикла работы схемы. Тем самым предотвращается неограниченное накопление энергии в дросселе, происходящее от цикла к циклу.
В устройстве, которое рассматривается в качестве прототипа [1], в момент запирания силовых транзисторов напряжение на них нарастает скачкообразно до уровня напряжений на конденсаторах выходных фильтров. В предлагаемом устройстве во время процесса запирания силовых транзисторов напряжение на них нарастает от начального нулевого значения плавно во времени. Тем самым снижаются коммутационные потери энергии, выделяющейся в транзисторах при запирании, что повышает надежность их работы, а также надежность работы устройства в целом. Таким образом достигается поставленная цель предлагаемого технического решения.
Возможен вариант схемы, изображенный на фиг. 3, где нагрузка 25 подключена параллельно двум конденсаторам 13 и 14 выходного фильтра, которые соединены последовательно друг с другом.
Источник информации.
1. Патент на изобретение РФ №2542749. Патентообладатель ЗАО «Связь инжиниринг». Авторы Глебов Б.А., Голиков В.Ю. и др. Корректор коэффициента мощности. Опубликовано 27.02.2015.