ДВУХТАКТНЫЙ ОБРАТНОХОДОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ
TWO-STROKE FLYBACK DC-TO-DC CONVERTER

Изобретение относится к электротехнике, радиоэлектронике и предназначено для использования в источниках вторичного электропитания в качестве преобразователя постоянного напряжения в постоянное.
Известно устройство для преобразования постоянного напряжения в постоянное, принятое в качестве аналога (патент US 8009448 на изобретение от 03.04.2009 г.). Данное устройство содержит резонансный дроссель, трансформатор со средней точкой во вторичной обмотке, накопительный конденсатор, первый и второй МОП-транзисторы с n-каналом и встроенным диодом, паразитную резонансную емкость первого и второго ключа, первый, второй и третий выпрямительный диод, выходной дроссель, выходной конденсатор. Причем первый вывод резонансного дросселя подключен к положительному выводу источника постоянного напряжения, второй вывод подключен к началу первичной обмотки трансформатора, конец которого подключен к истоку первого МОП-транзистора с n-каналом и встроенным диодом, сток подключен к отрицательному выводу источника постоянного напряжения, затвор служит входом для сигнала контроллера, сток второго МОП-транзистора со встроенным диодом подключен между концом первичной обмотки трансформатора и истоком первого МОП-транзистора с n-каналом и встроенным диодом, исток подключен к первому выводу накопительного конденсатора, второй вывод которого подключен к положительному выводу источника постоянного напряжения, затвор служит входом для сигнала контроллера, паразитная резонансная емкость первого и второго ключа подключена между стоком и истоком первого МОП-транзистора с n-каналом и встроенным диодом. Начало первой вторичной обмотки трансформатора соединено с анодом первого диода, катод которого соединен с первым выводом выходного дросселя, конец обмотки соединен с началом второй вторичной обмотки трансформатора, конец соединен с анодом второго диода, катод которого соединен с вторым выводом выходного дросселя. Катод третьего диода подключен между катодом первого диода и первым выводом первого дросселя, анод подключен к началу второй вторичной обмотки трансформатора. Выходной конденсатор подключен к параллельной нагрузке, первый вывод подключен к второму выводу выходного дросселя, второй вывод подключен к аноду третьего диода.
Известное устройство для преобразования переменного напряжения в постоянное, принятое в качестве прототипа (патент US 8374000 на изобретение от 15.02.2011 г.). Данное устройство содержит входные первый и второй конденсаторы, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой диоды, первый и второй трансформаторы, первый и второй выходные конденсаторы. Причем первый вывод первого конденсатора подключен к положительному выводу источника постоянного тока, второй вывод подключен к первому выводу второго конденсатора, второй вывод которого подключен к отрицательному выводу источника постоянного тока. Катод первого диода подключен между истоком первого МОП-транзистора с n-каналом и встроенным диодом и началом первичной обмотки первого трансформатора, конец которой соединен с началом первичной обмотки второго трансформатора, а анод подключен к отрицательному выводу источника постоянного тока. Катод второго диода подключен к положительному выводу источника постоянного тока, а анод подключен между стоком второго МОП-транзистора с n-каналом и встроенным диодом и концом первичной обмотки второго трансформатора. Начало первой вторичной обмотки первого трансформатора соединено с отрицательным выводом нагрузки, конец первой вторичной обмотки первого трансформатора соединен с анодом третьего диода, катод которого соединен с положительным выводом нагрузки. Начало первой вторичной обмотки второго трансформатора соединено с отрицательным выводом нагрузки, конец первой вторичной обмотки второго трансформатора соединен с анодом четвертого диода, катод которого соединен с положительным выводом нагрузки. Первый выходной конденсатор подключен параллельно нагрузке так, что положительный вывод конденсатора соединен с положительным выводом нагрузки, а отрицательный вывод конденсатора соединен с отрицательным выводом нагрузки. Начало второй вторичной обмотки первого трансформатора соединено с отрицательным выводом нагрузки, конец второй вторичной обмотки первого трансформатора соединен с анодом пятого диода, катод которого соединен с положительным выводом нагрузки. Начало второй вторичной обмотки второго трансформатора соединено с отрицательным выводом нагрузки, конец второй вторичной обмотки второго трансформатора соединен с анодом шестого диода, катод которого соединен с положительным выводом нагрузки. Второй выходной конденсатор подключен параллельно нагрузке так, что положительный вывод конденсатора соединен с положительным выводом нагрузки, а отрицательный вывод конденсатора соединен с отрицательным выводом нагрузки.
Недостатками данных устройств являются низкий коэффициент полезного действия и низкая надежность за счет большого количества элементов, на которых происходит рассеивание энергии.
Технические результаты заявленного изобретения заключаются в увеличении надежности и повышении коэффициента полезного действия за счет организации преобразователя для двухтактного преобразования энергии с переключением коммутирующих транзисторов при нулевом токе.
упр1
упр2
Для достижения указанного технического результата устройство содержит первичную обмотку первого трансформатора, конец которой соединен со стоком первого МОП-транзистора с n-каналом и с встроенным диодом, исток которого соединен с отрицательным полюсом входного напряжения, а затвор которого является входом для управляющего сигнала U. Первичная обмотка второго трансформатора, начало которой соединено с истоком второго МОП-транзистора с n-каналом и с встроенным диодом, сток которого соединен с положительным полюсом входного напряжения, а затвор которого является входом для управляющего сигнала U. Накопительный конденсатор, один вывод которого соединен между концом первичной обмотки первого трансформатора и стоком первого МОП-транзистора с n-каналом и с встроенным диодом, второй вывод которого соединен между началом первичной обмотки второго трансформатора и истоком второго МОП-транзистора с n-каналом и с встроенным диодом. Вторичную обмотку первого трансформатора, начало которой соединено с отрицательным выводом нагрузки, конец которой соединен с анодом первого выпрямительного диода, катод которого соединен с положительным выводом нагрузки, выходного конденсатора, положительный вывод которого соединен с положительным выводом нагрузки, отрицательный вывод которого соединен отрицательным выводом нагрузки, вторичную обмотку второго трансформатора, начало которой соединено с отрицательным выводом нагрузки, конец которой соединен с анодом второго выпрямительного диода, катод которого соединен с положительным выводом нагрузки.
Изобретение поясняется чертежами:
Фиг. 1 - Структурная схема двухтактного обратноходового преобразователя постоянного напряжения в постоянное;
Фиг. 2 - Временная диаграмма, показывающая форму выходного тока и формы токов в обмотках трансформатора в зависимости от сигналов управления.
Двухтактный обратноходовой преобразователь постоянного напряжения в постоянное содержит:
1 - накопительный конденсатор;
2 - выходной конденсатор;
3 - первый МОП-транзистор с n-каналом и встроенным диодом;
4.1 - первичная обмотка первого трансформатора;
4.2 - вторичная обмотка первого трансформатора;
5.2 - вторичная обмотка второго трансформатора;
6 - первый выпрямительный диод;
7 - второй выпрямительный диод;
8 - второй МОП-транзистор с n-каналом и встроенным диодом.
Функционирование заявляемого двухтактного обратноходового преобразователя постоянного напряжения в постоянное происходит следующим образом.
вх
В рассматриваемый установившийся момент времени напряжение входного источника постоянного тока стабилизировано и не равно нулю. Накопительный конденсатор 1 заряжен и выходной конденсатор 2 заряжен. Величина напряжения на накопительном конденсаторе 1 составляет 2 U.
упр1
упр1
В первом такте на затвор МДП-транзистора с n-каналом и встроенным диодом 3 подается сигнал управления U, частота импульсов которого зависит от входного и выходного напряжения преобразователя и регулируется контроллером управления, как показано на примере временной диаграммы. В момент времени, когда значение сигнала управления U равно напряжению включения транзистора, сопротивление канала МДП-транзистора с n-каналом со встроенным диодом 3 уменьшается, вследствие чего по цепи положительный вывод источника постоянного тока - первичная обмотка первого трансформатора 4.1 - МДП-транзистора с n-каналом и встроенным диодом 3 - отрицательный вывод источника постоянного тока. Одновременно с этим происходит разряд накопительного конденсатора 1 по цепи МДП-транзистора с n-каналом со встроенным диодом 3 - первичная обмотка второго трансформатора 5.1. Так как в этот момент выпрямительный диод 6 закрыт, энергия накапливается в первом трансформаторе, в то же время энергия обмотки трансформатора 5.2 передается в нагрузку в виде тока через выпрямительный диод 7.
упр1
После перехода сигнала U в выключенное состояние, МДП-транзистор с n-каналом со встроенным диодом 3 закрывается, напряжение в первичной обмотке трансформатора 4.1 меняет полярность, ток во вторичной обмотке трансформатора 4.2 начинает протекать через выпрямительный диод 6 и заряжать выходной конденсатор 2. Энергия, запасенная в индуктивности рассеивания первой обмотки трансформатора 4.1, восстанавливается в накопительный конденсатор 1 через диод МДП-транзистора с n-каналом 8. Одновременно с этим накопительный конденсатор 1 заряжается от входного источника постоянного тока через первичную обмотку первого трансформатора 4.1 и в первичную обмотку второго трансформатора 5.1.
упр2
упр2
Во втором такте на затвор МДП-транзистора с n-каналом и встроенным диодом 8 подается сигнал управления U, частота импульсов которого зависит от входного и выходного напряжения преобразователя и регулируется контроллером управления, как показано на примере временной диаграммы. В момент времени, когда значение сигнала управления U равно напряжению включения транзистора, сопротивление канала МДП-транзистора с n-каналом со встроенным диодом 8 уменьшается, вследствие чего по цепи положительный вывод источника постоянного тока МДП-транзистора с n-каналом и встроенным диодом 8 - первичная обмотка второго трансформатора 5.1 - отрицательный вывод источника постоянного тока. Одновременно с этим происходит разряд накопительного конденсатора 1 по цепи МДП-транзистора с n-каналом со встроенным диодом 8 - первичная обмотка первого трансформатора 1.1. Так как в этот момент выпрямительный диод 7 закрыт, энергия накапливается во втором трансформаторе, в то же время энергия обмотки трансформатора 4.2 передается в нагрузку в виде тока через выпрямительный диод 6.
упр2
После перехода сигнала U в выключенное состояние, МДП-транзистор с n-каналом со встроенным диодом 8 закрывается, напряжение в первичной обмотке трансформатора 5.1 меняет полярность, ток во вторичной обмотке трансформатора 5.2 начинает протекать через выпрямительный диод 7 и заряжать выходной конденсатор 2. Энергия, запасенная в индуктивности рассеивания первой обмотки трансформатора 5.1, восстанавливается в накопительный конденсатор 1 через диод МДП-транзистора с n-каналом 3. Одновременно с этим накопительный конденсатор 1 заряжается от входного источника постоянного тока через первичную обмотку первого трансформатора 4.1 и в первичную обмотку второго трансформатора 5.1.
Повышение КПД в предлагаемом устройстве достигается за счет устранения динамических потерь коммутации выпрямительных диодов и потерь энергии на их восстановление при запирании обратным напряжением с помощью включения силовых ключей при нуле тока на выпрямительных диодах и за счет снижения потерь на проводимость, достигаемых за счет снижения общего количества элементов.
Повышение надежности в предлагаемом устройстве достигается за счет уменьшения общего количества элементов и улучшения условий коммутации силовых ключей.
Таким образом, использование предложенного технического решения в качестве преобразователя постоянного напряжения в постоянное за счет переключения коммутирующих транзисторов при нулевом токе позволяет увеличить надежность и повысить коэффициент полезного действия.