Регулируемый повышающий преобразователь постоянного напряжения
ADJUSTABLE STEP-UP DC VOLTAGE CONVERTER

Предлагаемое изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано при создании малогабаритных и энергоэффективных многоуровневых повышающих регуляторов постоянного напряжения.
Известен регулируемый повышающий преобразователь постоянного напряжения (Электротехника, №10, 2007, с. 34-40, рис. 1 - блок А1.1), 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.
Дискретная регулировка выходного напряжения в данном преобразователе осуществляется изменением числа последовательно соединенных конденсаторов, разряжающихся на нагрузку, путем управления коммутацией разрядных ключей его силовой цепи.
К недостаткам данного регулируемого повышающего преобразователя следует отнести отсутствие плавной регулировки выходного напряжения, а также низкий КПД и плохие массогабаритные показатели из-за увеличения динамических потерь мощности и низкой частоты переключения полупроводниковых элементов силовой цепи ввиду их жесткой коммутации.
Кроме того, известен регулируемый повышающий преобразователь постоянного напряжения (Электропитание №4, 2018 г„ с. 152-159, рис. 2), являющийся прототипом предлагаемого изобретения, содержащий входной, выходной и общий выводы для подключения соответственно источника постоянного напряжения и выходного конденсатора, n соединенных параллельно цепочек, включенных между входным и общим выводами преобразователя, состоящих каждая из последовательно соединенных зарядного диода, конденсатора, реактора и зарядного ключа, (n-1) разрядных ключей, каждый из которых включен между точкой соединения реактора и зарядного ключа предыдущей цепочки и точкой соединения зарядного диода и конденсатора последующей цепочки, разрядный ключ, включенный между входным выводом и точкой соединения реактора и зарядного ключа последней цепочки, разрядный диод, включенный между точкой соединения зарядного диода с конденсатором первой цепочки и выходным выводом преобразователя.
Дискретная регулировка выходного напряжения в прототипе также осуществляется изменением числа последовательно соединенных конденсаторов, разряжающихся на нагрузку, путем управления коммутацией разрядных ключей его силовой цепи. При этом КПД и массогабаритные показатели прототипа значительно улучшены благодаря мягкой коммутации его полупроводниковых элементов в моменты времени, когда их токи равны нулю.
Увеличение КПД прототипа происходит за счет снижения динамических потерь мощности при переключении его полупроводниковых элементов, а улучшение его массогабаритных показателей достигается благодаря увеличению частоты их переключения.
Следует отметить, что мягкая коммутация реализуется благодаря наличию в цепочках прототипа последовательных колебательных контуров, обеспечивающих кусочно синусоидальную форму тока через его полупроводниковые элементы.
Главный недостаток прототипа - отсутствие энергоэффективной плавной регулировки его выходного напряжения.
Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является обеспечения линейной, плавной регулировки выходного напряжения регулятора при сохранении высокого КПД и улучшенных массогабаритных показателях.
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 выходного конденсатора, n соединенных параллельно цепочек, включенных между входным и общим выводами, состоящих каждая из последовательно соединенных зарядного диода, конденсатора, реактора и зарядного ключа, (n-1) разрядных ключей, каждый из которых включен между точкой соединения реактора и зарядного ключа предыдущей цепочки и точкой соединения зарядного диода и конденсатора последующей цепочки, разрядный ключ, включенный между входным выводом и точкой соединения реактора и зарядного ключа последней цепочки, разрядный диод, включенный между точкой соединения зарядного диода с конденсатором первой цепочки и выходным выводом введены двухуровневый широтно-импульсный регулятор постоянного напряжения, между выходным выводом которого и общим выводом включена нагрузка, дополнительный выходной конденсатор, соединяющий дополнительный выходной и общий выводы преобразователя, дополнительный разрядный диод, включенный между точкой соединения зарядного диода и конденсатора второй цепочки и дополнительным выходным выводом, причем выходные выводы преобразователя подключены к входным выводам двухуровневого широтно-импульсного регулятора.
На чертеже приведена принципиальная схема силовой цепи предлагаемого регулируемого повышающего преобразователя постоянного напряжения.
Предлагаемое устройство содержит n цепочек, состоящих каждая из последовательно соединенных зарядного диода 1, конденсатора 2, реактора 3 и зарядного ключа 4. Цепочки соединены параллельно и включены между входным 5 и общим 6 выводами преобразователя. Точки соединения реактора 3 и зарядного ключа 4 предыдущей цепочки через разрядные ключи (7-9) соединены с положительным выводом конденсатора 2 последующей цепочки. Разрядный ключ 10 соединяет входной вывод 5 с точкой соединения реактора 3 и зарядного ключа 4 последней цепочки. Разрядный диод 11 включен между точкой соединения зарядного диода 1 с конденсатором 2 первой цепочки и выходным выводом 12. К выходному выводу 12 и общему выводу 6 подключен выходной конденсатор 13. Дополнительный разрядный диод 14 включен между точкой соединения зарядного диода 1 с конденсатором 2 второй цепочки и дополнительным выходным выводом 15. К дополнительному выходному выводу 15 и общему выводу 6 подключен дополнительный выходной конденсатор 16. Выходные выводы 12 и 15 преобразователя подключены к входным выводам 17 и 18 двухуровневого широтно-импульсного регулятора 19, к выходу которого подключена нагрузка 20.
Предлагаемый преобразователь работает следующим образом.
В исходном состоянии при периодическом высокочастотном открывании зарядных ключей 4 в n цепочках током кусочно синусоидальной формы происходит параллельный заряд конденсаторов 2 через реакторы 3 от входного источника постоянного напряжения Е через зарядные диоды 1. После закрывания зарядных ключей 4 открываются разрядные ключи (7-10) и током также кусочно синусоидальной формы происходит периодический последовательный разряд конденсаторов 2 через реакторы 3 разрядный диод 11 на выходной конденсатор 13. Последовательные колебательные контуры, образованные в цепочках конденсаторами 2 и реакторами 3, обеспечивают снижение динамических потерь мощности в полупроводниковых элементах силовой цепи преобразователя благодаря мягкой коммутации в моменты времени, когда их токи кусочно синусоидальной формы равны нулю.
Поскольку разряд n соединенных последовательно конденсаторов происходит через последовательно соединенный с ними источник Е, то выходное напряжение преобразователя, прикладываемое к выходному конденсатору 13, оказывается равным (n+1) ⋅ Е.
17
18
Напряжения с выходных конденсаторов 13 и 16, определяющие диапазон регулировки выходного напряжения предлагаемого преобразователя, подаются на входные выводы 17 и 18 двухуровневого широтно-импульсного регулятора 19. Они формируются при числе цепочек (n-1) и n соответственно. Поэтому диапазон регулировки для любых n равен напряжению входного источника Е, а его пределы определяются выражениями U = n ⋅ Е и U = (n + 1) ⋅ Е.
Дискретное регулирование диапазонов выходного напряжения осуществляется изменением числа цепочек в пределах n=1, …, N поочередным переводом разрядных ключей (8-10) из отсечки в режим периодической коммутации. При этом благодаря мягкой коммутации полупроводниковых элементов преобразователя, участвующих в преобразовании, его КПД оказывается высоким.
17
18
Плавная линейная регулировка напряжения на нагрузке 20 внутри диапазонов [U,U] для различных n осуществляется изменением относительной длительности импульсов управления  транзисторного ключа 21 в двухуровневом широтно-импульсном регуляторе 19 в пределах .
При этом благодаря малым, равным напряжению входного источника Е, скачкам напряжения на регулирующем транзисторном ключе 21 и диоде 22 двухуровневого широтно-импульсного регулятора 19, динамические потери мощности в них при плавной регулировке оказываются незначительными.
В результате энергоэффективный диапазон линейного плавного регулирования напряжения на нагрузке 20 при изменении числа цепочек в пределах n=1,…,N, составляет величину от Е до (N + 1) ⋅ E.
Таким образом, предлагаемый регулируемый повышающий преобразователь обладает более широкими функциональными возможностями, т.к. наряду с дискретным регулированием способен осуществить и линейную энергоэффективную плавную регулировку выходного напряжения.