ДЕМПФИРУЮЩАЯ СХЕМА ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ
DAMPING CIRCUIT FOR DC-TO-DC CONVERTER

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в высокочастотных преобразователях источников вторичного питания.
Известно демпфирующее устройство для преобразователя постоянного напряжения в постоянное, содержащее подключенные к входным выводам преобразователя последовательно соединенные первичную обмотку трансформатора и силовой ключ, управляющий вход которого подключен к выходу блока управления, к вторичной обмотке трансформатора параллельно подключены встречно-последовательно первый и второй диоды и последовательно соединенные первый конденсатор и подключенный встречно третий диод, точка соединения первого и второго диодов через встречно включенный четвертый диод подключена к точке соединения первого конденсатора и третьего диода, а через дроссель - к первому выходному выводу преобразователя постоянного напряжения в постоянное, к которому подключен первый вывод второго конденсатора, второй вывод которого подключен к точке соединения вторичной обмотки трансформатора и второго диода и ко второму выходному выводу преобразователя постоянного напряжения в постоянное (см. п. US №6333861, НКИ 363-20, 2001 г.).
Недостатками демпфирующего устройства являются потери, возникающие в высокочастотных преобразователях напряжения, связанные с обратным восстановлением выпрямительных диодов. Энергия обратного восстановления диодов, запасаясь в индуктивности рассеяния трансформатора и энергия перезаряда емкости демпфирующей цепи уходят в тепло, что снижает КПД преобразователя, кроме того, большой выброс напряжения на выпрямительных диодах снижает надежность преобразователя.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является демпфирующая схема для преобразователя питания, содержащая подключенные к входным выводам преобразователя последовательно соединенные первую индуктивность, первичную обмотку трансформатора и силовой ключ, управляющий вход которого подключен к выходу блока управления, к вторичной обмотке трансформатора встречно-последовательно подключены первый и второй диоды, к точке соединения которых подключены через последовательно соединенные первый конденсатор и встречно включенный третий диод - точка соединения второго диода и вторичной обмотки трансформатора и первый вывод второй индуктивности, второй вывод которой подключен к первому выводу второго конденсатора через последовательно соединенные встречно включенный четвертый диод и третью индуктивность к точке соединения первого конденсатора и третьего диода, и к первому выходному выводу преобразователя постоянного напряжения в постоянное, второй выходной вывод которого подключен к точке соединения второго диода и вторичной обмотки трансформатора и ко второму выводу второго конденсатора (см. п. US №6507502, НКИ 363/16, 2003 г.).
Из-за того, что демпфирующий конденсатор разряжается практически до нуля, на выпрямительном диоде возникает большой выброс напряжения, а в индуктивности рассеивания трансформатора накапливается дополнительная энергия. Ток через индуктивность демпфирующей цепочки должен достичь величины тока индуктивности рассеивания трансформатора к моменту, когда напряжение на выпрямительном диоде достигнет величины равной постоянному напряжению на конденсаторе демпфирующей цепочки, и в то же время назначение индуктивности - ограничить скорость нарастания напряжения через конденсатор. Исходя из этих противоречивых требований, каждый раз необходимо точно подбирать величины индуктивности и емкости демпфирующих цепочек, что ограничивает диапазон применения (только в маломощных преобразователях), большой выброс напряжения на диодах снижает надежность устройства.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является расширение диапазона применения и повышение надежности.
Технический результат достигается тем, что в демпфирующую схему для преобразователя постоянного напряжения в постоянное, содержащую подключенные к входным выводам преобразователя последовательно соединенные первичную обмотку трансформатора и силовой ключ, управляющий вход которого подключен к управляющему выходу блока управления, к вторичной обмотке трансформатора встречно-последовательно подключены первый и второй диоды, к точке соединения которых подключен первый вывод дросселя, второй вывод которого подключен к первому выходному выводу преобразователя постоянного напряжения в постоянное и к первому выводу первого конденсатора, второй вывод которого подключен ко второму выходному выводу и к точке соединения вторичной обмотки трансформатора и второго диода, а также третий диод и второй конденсатор, введены первый и второй резисторы, ключ и дополнительная вторичная обмотка трансформатора, первый вывод которой подключен к точке соединения первого и второго диодов и к входу ключа, управляющий вход которого подключен ко второму выводу дополнительной вторичной обмотке трансформатора, выход ключа подключен к первому выводу первого резистора, второй вывод второго подключен через второй конденсатор ко второму выходному выводу преобразователя постоянного напряжения в постоянное и через последовательно соединенные второй резистор и встречно включенный третий диод - к точке соединения первого и второго диодов.
Анализ известных технических решений из научно-технической и патентной литературы позволяет сделать вывод, что на настоящее время неизвестно техническое решение, содержащее совокупность существенных признаков, что и в предложенном решении.
Из а.с. СССР №1529369, Н02М 3/335, 1987 г., а.с. СССР №1665477, Н02М 3/335, 1989 г., п. US №4785387, НКИ 363/21, 1988 г., п. US №6141224, НКИ 363/21, 2000 г. известно использование дополнительного ключа, диода, конденсатора и резистора в схеме преобразователей постоянного напряжения в постоянное. Использование совокупности отличительных существенных признаков предложенного технического решения, решающих такую же проблему с тем же техническим результатом в этой области техники, на данный момент не выявлено, что позволяет сделать вывод о наличии существенных отличий у предложенного технического решения.
На фиг.1 представлена демпфирующая схема для преобразователя постоянного напряжения в постоянное (электрическая схема), на фиг.2 - диаграммы напряжения на втором 6 диоде и на конденсаторе 12.
1
2
1
2
3
1
2
Демпфирующая схема для преобразователя постоянного напряжения в постоянное содержит подключенные к входным выводам 1-1 последовательную цепь из первичной обмотки 2 трансформатора 2 и силового ключа 3, управляющий вход которого подключен к выходу блока 4 управления. К вторичной обмотке 2 трансформатора 2 подключены встречно-последовательно первый 5 и второй 6 диоды, к точке соединения которых подключен первый вывод дросселя 7, вход ключа 8, первый вывод дополнительной вторичной 2 обмотки трансформатора 2, второй вывод которой подключен к управляющему входу ключа 8, выход которого через последовательно соединенные первый 9 резистор, второй 11 резистор и встречно включенный третий 10 диод подключен к точке соединения первого 5 и второго 6 диодов, второй вывод дросселя 7 подключен к первому 14 выходному выводу преобразователя и к первому выводу первого 13 конденсатора, ко второму выводу которого подключены точка соединения второго 6 диода и вторичной 2 обмотки трансформатора 2 и через второй 12 конденсатор - точка соединения первого 9 и второго 11 резисторов.
Силовой 3 ключ и ключ 8 могут быть выполнены на полевых транзисторах, блок 4 управления может быть выполнен на широтно-импульсном модуляторе.
Демпфирующая схема для преобразователя постоянного напряжения в постоянное (фиг.1) работает следующим образом.
К моменту включения силового ключа 3 конденсатор 12 заряжен до напряжения Uп (фиг.2), равного
пит
2
1
Uп=Uw2/w2;
пит
1
2
где U- напряжение на входных выводах 11 преобразователя,
2
2
w2- число витков вторичной 2 обмотки трансформатора 2,
1
1
w2- число витков первичной 2 обмотки трансформатора 2.
2
2
2
3
При подаче напряжения от источника питания блок 4 управления начинает вырабатывать управляющие импульсы, которые поступают на управляющий вход силового 3 ключа, ключ 3 открывается, напряжение на обмотке 2 становится положительным, второй 6 диод запирается, и ток дросселя 7 протекает через первый 5 диод. На диоде 6 происходит рассасывание заряда неосновных носителей. Все это время обмотка 2 фактически замкнута диодами 5 и 6, и скорость нарастания тока в ней определяется входным напряжением преобразователя и индуктивностью рассеяния трансформатора 2. По окончании процесса обратного восстановления диода 6 величина тока в обмотке 22 значительно превосходит величину тока дросселя 7. Ключ 8 и третий 10 диод заперты во время обратного восстановления второго 6 диода. Емкость конденсатора 12 через третий 10 диод подключается параллельно паразитной емкости диода 6 сразу после того, как напряжение на диоде 6 достигнет уровня Uп, после чего с небольшой задержкой включается ключ 8. Энергия, накопленная в индуктивности рассеяния трансформатора 2, передается в конденсатор 12 и затем через включенный ключ 8, первый 9 резистор и дроссель 7 - в нагрузку. Сразу после запирания силового ключа 3 заканчивается импульс положительной полярности на обмотках 2-2 трансформатора 2, третий 10 диод и ключ 8 запираются, конденсатор 12 остается заряженным до уровня Uп до следующего управляющего импульса ключа 3.
Таким образом, конденсатор 12 не подключен во время накопления энергии в индуктивности рассеивания трансформатора, его использование не создает дополнительных потерь. Следовательно, емкость конденсатора 12 можно выбрать достаточно большой, чтобы выброс напряжения на диоде 6 был ничтожно мал. Ключ 8 включается (с небольшой задержкой) после того, как напряжение на диоде 6 сравняется с напряжением на конденсаторе 12 (при нулевом падении напряжения, т.е. без дополнительных потерь).
Преимущества предложенного технического решения заключаются в следующем:
- емкость демпфирующей цепи не вносит дополнительных потерь, поэтому может быть выбрана достаточно большой, чтобы минимизировать выброс напряжения на выпрямительном диоде, что повышает надежность преобразователя и расширяет диапазон его применения, т.е. данное техническое решение может применяться в мощных преобразователях, - энергия обратного восстановления выпрямительного диода вместе с энергией перезаряда паразитных емкостей обмоток трансформаторов, диодов, накопленная за первую часть периода свободных колебаний LC-контура, образованного индуктивностью рассеяния трансформатора 2 и конденсатора 12, в течение второй части периода полностью передается в конденсатор 12, а затем через резистор 9, ключ 8, дроссель 7 - в конденсатор 13 и в нагрузку. Таким образом, энергия, которая в известных технических решениях переводилась в тепло, в данном техническом решении передается в нагрузку, что повышает КПД преобразователя;
- уменьшение выброса обратного напряжения во время восстановления выпрямительных диодов повышает надежность устройства и позволяет применять диоды с меньшим прямым падением напряжения и с меньшими потерями восстановления.