РЕГУЛИРУЕМЫЙ ПОВЫШАЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
CONTROLLED STEP-UP DC VOLTAGE CONVERTER

Предлагаемое изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано в источниках и системах вторичного электропитания, а также при создании многоуровневых инверторов напряжения.
Известен повышающий преобразователь постоянного напряжения (Электричество, №7, 1969, с.82-84, рис.3), содержащий входной, выходной и общий выводы для подключения соответственно источника постоянного напряжения и нагрузки, зарядный ключ, n соединеных параллельно цепочек, включенных между входным выводом преобразователя и первым выводом зарядного ключа, второй вывод которого соединен с его общим выводом, состоящих каждая из последовательно соединенных конденсатора и двух разрядных диодов, (n-1) разрядных ключей, каждый из которых включен между разноименными выводами конденсаторов соответствующих смежных цепочек, разрядный ключ, включенный между входным выводом и точкой соединения конденсатора и зарядного диода первой цепочки.
Регулировка выходного напряжения в данном преобразователе может быть осуществлена изменением числа последовательно соединенных конденсаторов, разряжающихся на нагрузку, путем управления коммутацией разрядных ключей.
К недостаткам данного повышающего преобразователя следует отнести неполное использование установленной емкости и связанное с ним ухудшение массогабаритных показателей, низкий к.п.д. вследствие завышенных потерь при заряде конденсаторов от источника постоянного напряжения через зарядные два диода и ключ, а также невозможность его работы на несколько нагрузок.
Кроме того, известен регулируемый повышающий преобразователь постоянного напряжения (Электротехника, № 10, 2007, с.34-40, рис.1 - блок - A1.1), являющийся прототипом предлагаемого изобретения и содержащий входной, выходной и общий выводы для подключения соответственно источника постоянного напряжения и нагрузки, n соединенных параллельно цепочек, включенных между входным и общим выводами, состоящих каждая из последовательно соединенных зарядного диода, конденсатора и зарядного ключа, (n-1) разрядных ключей, каждый из которых включен между разноименными выводами конденсаторов соответствующих смежных цепочек, разрядный ключ, включенный между входным выводом и точкой соединения конденсатора и зарядного ключа последней цепочки.
В прототипе регулирование выходного напряжения осуществляется изменением числа последовательно соединенных конденсаторов, разряжающихся на нагрузку путем коммутации разрядных ключей. При этом часть конденсаторов вообще не участвует в процессе преобразования. Это ведет к увеличению величины емкости конденсаторов цепочек, необходимой для обеспечения заданного тока в нагрузке, и, следовательно, ухудшению массогабаритных показателей преобразователя.
Кроме того, указанное устройство способно работать только на одну нагрузку, что существенно снижает его функциональные возможности. Устранение этого недостатка путем применения отдельного преобразователя на каждую из нагрузок также приводит к значительному ухудшению массогабаритных показателей.
Задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей преобразователя и улучшение его массогабаритных показателей.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в регулируемый повышающий преобразователь постоянного напряжения, содержащий входной, выходной и общий выводы для подключения соответственно источника постоянного напряжения и нагрузки, n соединенных параллельно цепочек, включенных между входным и общим выводами, состоящих каждая из последовательно соединенных зарядного диода, конденсатора и зарядного ключа, (n-1) разрядных ключей, каждый из которых включен между разноименными выводами конденсаторов соответствующих смежных цепочек, разрядный ключ, включенный между входным выводом и точкой соединения конденсатора и зарядного ключа последней цепочки, введены (n-1) дополнительных разрядных ключей, n дополнительных групп из m ключей и (m-1) выходных выводов для подключения дополнительных нагрузок, причем дополнительные разрядные ключи включены между входным выводом и точкой соединения конденсатора и зарядного ключа соответствующей цепочки, а в каждой дополнительной группе первые выводы ключей соединены друг с другом и точкой соединения конденсатора и зарядного диода соответствующей цепочки, а их вторые выводы соединены с соответствующими выходными выводами преобразователя.
На чертеже приведена структурная схема предлагаемого устройства.
Предлагаемое устройство содержит n цепочек, состоящих из последовательно соединенных зарядного ключа 1, конденсатора 2 и зарядного диода 3. Цепочки соединены параллельно и включены между входным 4 и общим выводом 5 преобразователя. Отрицательный вывод конденсатора 2 предыдущей цепочки через разрядный ключ 6 соединен с положительным выводом конденсатора 2 последующей цепочки. Разрядные ключи (6-10) соединяют разноименные выводы конденсаторов смежных цепочек. Дополнительные разрядные ключи (11-15) соединяют входной вывод 4 преобразователя с точкой соединения конденсатора и зарядного ключа соответствующей цепочки. Разрядный ключ 16 соединяет аналогичные точки в последней цепочке. Точки соединения конденсатора и зарядного диода каждой цепочки подключены к выходным выводам 17 и 18 преобразователя, предназначенным для подключения нагрузок, через группы дополнительных ключей (19,20), (21,22), (23,24), (25,2б), (27,28), (29,30).
Преобразователь, имеющий две нагрузки, работает следующим образом.
В исходном состоянии часть цепочек работает на первую нагрузку, подключенную к выводам (5,17), а другая часть - на вторую нагрузку, подключенную к выводам (5,18). При этом благодаря определенному порядку коммутации ключей (6-10), (11-16) и (19-30) происходит изменение структуры преобразователя, при котором он оказывается состоящим из k1 и k2 (целые числа) одинаковых повышающих преобразователей, содержащих каждый по n1 и n2 цепочек и работающих в параллель на соответствующие нагрузки. Принцип действия отдельного повышающего преобразователя заключается в периодическом параллельном подзаряде конденсаторов его цепочек от входного источника постоянного напряжения Е через зарядные ключи 1 с их последующим последовательным разрядом на нагрузку через соответствующие данному состоянию разрядные ключи. Поскольку разряд конденсаторов на нагрузку происходит через последовательно соединенный источник Е, то силовая цепь отдельного повышающего преобразователя упрощается за счет уменьшения числа цепочек на единицу. В результате выходные напряжения преобразователя оказываются равными
U1=(n1+1)E, U2=(n2+1)Е,
а процесс регулирования осуществляется изменением n1, n2 и k1, k2 путем управления коммутацией ключей, входящих в его состав. Изменение n1 и n2 позволяет регулировать величины выходных напряжений, а увеличение k1 и k2 приводит к пропорциональному увеличению токов соответствующих нагрузок. При этом цепочки могут отключаться от слаботочной нагрузки и подключаться к нагрузке, ток в которой увеличился и наоборот. Это позволяет более полно использовать установленную емкость силовой цепи преобразователя и, следовательно, улучшить его массогабаритные показатели. Выражение, связывающее k1, n1 и k2, n2 с общим числом цепочек n, имеет вид
(k1n1+k2n2)<n.
Рассмотрим работу преобразователя при n1=1, n2=2, общем числе цепочек n=6 и условии, что все они задействованы в процессе преобразования. В данном случае возможны следующие значения k1 и k2, пропорционально определяющие величины токов в соответствующих нагрузках
(k1=2, k2=2), (k1=4, k2=l).
Например, состояние (k1=2, k2=2) имеет 4 варианта реализации, которые достигаются соответственно периодической коммутацией и отсечкой следующих групп разрядных ключей
[6, 8, 12, 14, 15, 16, 20, 24, 27, 29] и [7, 9, 10, 11, 13, 19, 21, 22, 23, 25, 26, 28, 30],
[8, 10, 11, 12, 14, 16, 19, 21, 24, 28] и [6, 7, 9, 13, 15, 20, 22, 23, 25, 26, 27, 29, 30],
[7, 9, 11, 13, 15, 16, 19, 22, 26, 29] и [6, 8, 10, 12, 14, 20, 21, 23, 24, 25, 27, 28, 30],
[6, 10, 12, 13, 14, 16, 20, 23, 25, 28] и [7, 8, 9, 11, 15, 19, 21, 22, 24, 26, 27, 29, 30].
Периодическая коммутация зарядных 1 и указанных групп разрядных ключей осуществляется в противофазе, т.е. они работают без перекрытий. При этом напряжение на первой нагрузке, подключенной к выводам (5,17), будет равно 2Е, а на второй нагрузке, подключенной к выводам (5,18), ЗЕ. Далее возможны состояния, при которых все цепочки перегруппировываются и работают на каждую из нагрузок в отдельности, обеспечивая в них наибольшие значения токов. Эти состояния (k1=6, k2=0), (k1=0, k2=3) достигаются соответственно периодической коммутацией и отсечкой следующих групп разрядных ключей
[(11-16), 19, 21, 23, 25, 27, 29] и [(6-10), 20, 22, 24, 26, 28, 30],
[6, 8, 10, 12, 14, 16, 20, 24, 28] и [7, 9, 11, 13, 15, 19, 21, 22, 23, 25, 26, 27, 29, 30].
Введение в схему преобразователя дополнительных разрядных ключей (11-16) и дополнительных групп разрядных ключей (19-30) не только обеспечивает его работу на нагрузки с разными уровнями напряжений, но и дает возможность перегруппировки цепочек с одной нагрузки на другую при изменении их токов. Последнее обстоятельство позволяет существенно улучшить массогабаритные показатели преобразователя за счет более полного использования его установленной емкости.
Так, например, для обеспечения рассмотренных выше состояний (k1=6, n1=1) и (k2=3, n2=2) c помощью двух отдельных преобразователей потребуется k1·n1+k2·n2=12 конденсаторно диодных цепочек, а в случае противофазно изменяющихся токов нагрузок, благодаря перегруппировке всех цепочек с одной нагрузки на другую, предлагаемый преобразователь содержит всего лишь k1·n1=k2·n2=6 конденсаторно диодных цепочек.
Таким образом, предлагаемый преобразователь обладает не только более широкими возможностями т.к. способен работать на несколько нагрузок, но и имеет значительно лучшие массогабаритные показатели благодаря сокращению числа конденсаторно-диодных цепочек и более полному использованию его установленной емкости.