ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Полезная модель относится к преобразовательной технике и предназначена для формирования из входного напряжения постоянного тока напряжение другого уровня.
Известно устройство для преобразования напряжения постоянного тока, содержащее последовательно соединенные входной дроссель с силовым транзистором и последовательно соединенные выходной силовой диод с накопительным конденсатором, который подключен к выходным клеммам (фиг.3б, RU №2214672).
Недостатками такого устройства являются низкий коэффициент полезного действия и малая надежность, обусловленные значительными коммутационными потерями мощности и перегревом, которые возникают во время закрытия силового транзистора при протекании по нему силового тока.
Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому устройству является преобразователь напряжения постоянного тока, содержащий трансформатор, начало первой обмотки которого образует входную положительную клемму преобразователя, а конец соединен с коллектором первого PNP транзистора, анодом первого и катодом второго диодов, катод первого диода соединен с одним выводом первого конденсатора и образует выходную положительную клемму, другой вывод первого конденсатора соединен с эмиттером первого PNP транзистора, анодом второго диода и образует входную и выходную отрицательные клеммы преобразователя, начало второй обмотки трансформатора через второй конденсатор подключено к эмиттеру второго PNP транзистора и аноду третьего диода, катод которого и коллектор второго PNP транзистора соединены с концом второй обмотки трансформатора, базы первого и второго PNP транзисторов образуют соответственно первый и второй управляющие входы преобразователя, (RU №-92582.)
Недостатками указанного устройства являются отсутствие возможности преобразования электрической энергии в обратном направлении. Данное обстоятельство в свою очередь определяет малую надежность преобразователя вследствие отсутствия защиты преобразователя в случае возникновения перенапряжения и узкую область применения, связанную с преобразованием электрической энергии только в прямом направлении.
Технической задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является повышение надежности и расширение области применения преобразователя напряжения постоянного тока.
Для решения этой задачи предлагается преобразователь напряжения постоянного тока содержащий трансформатор, начало первой обмотки которого образует входную положительную клемму преобразователя, а конец соединен с коллектором первого транзистора, анодом первого и катодом второго диодов, катод первого диода соединен с одним выводом первого конденсатора и образует выходную положительную клемму, другой вывод первого конденсатора соединен с эмиттером первого транзистора, анодом второго диода и образует входную и выходную отрицательные клеммы преобразователя, начало второй обмотки трансформатора через второй конденсатор подключено к эмиттеру второго транзистора (PNP или IGBT типа) и аноду третьего диода, катод которого и коллектор второго транзистора (PNP или IGBT типа) соединены с концом второй обмотки трансформатора, управляющие электроды первого и второго транзисторов образуют соответственно первый и второй управляющие входы преобразователя, управляющий электрод третьего транзистора (PNP или IGBT типа), эмиттер которого подключен к аноду первого диода, коллектор - к его катоду, образует третий управляющий вход преобразователя, а третий конденсатор подключен к входным клеммам преобразователя.
Сущность предложения поясняется чертежами
На фигуре 1 обозначены:
Входные положительная 1 и отрицательная 2, выходные положительная 3 и отрицательная 4 клеммы преобразователя, первая 5 и вторая 6 обмотки трансформатора, первый 7, второй 8 и третий 9 транзисторы (PNP или IGBT типа), первый 10, второй 11 и третий 12 диоды, первый 13, второй 14, третий 15 конденсаторы, на фигуре 2 - временные диаграммы работы в прямом направлении, на фигуре 3 - в обратном направлении преобразования электрической энергии.
Преобразователь напряжения постоянного тока работает в прямом направлении преобразования электрической энергии следующим образом:
0
уэ7
5
В момент времени t на управляющий электрод первого транзистора 7 поступает сигнал управления (u) (фиг.2), под действием которого он переходит в открытое состояние. Начинает протекать ток (i) по следующей электрической цепи:
- входная положительная клемма 1 - первая обмотка 5 трансформатора - открытый первый транзистор 7 - входная отрицательная клемма 2.
0
1
Одновременно на интервале времени от t до t происходит заряд второго конденсатора 14 по следующей электрической цепи:
- вторая обмотка 6 трансформатора - второй конденсатор 14 - третий диод 12.
2
уэ8
В момент времени t, который определяется требуемым уровнем выходного напряжения, на управляющий электрод второго транзистора 8 поступает сигнал управления (u), под действием которого он переходит в открытое состояние. Начинает протекать ток разряда второго конденсатора 14 по следующей электрической цепи:
- второй конденсатор 14 - открытый второй транзистор 8 - вторая обмотка 6 трансформатора.
5
5
В результате трансформирования тока второй обмотки 6 трансформатора в его первую обмотку 5 происходит снижение тока (i) ниже нулевого значения. При этом ток (i) начинает протекать в обратном направлении через второй диод 11, минуя первый транзистор 7.
уэ7
После открытия второго диода 11, когда протекающий ток через первый транзистор 7 равен 0, снимают сигнал управления (u) с его управляющего электрода. Благодаря этому первый транзистор 7 выключается при отсутствии тока, протекающего через его силовые электроды, что повышает надежность всего устройства.
4
10
В момент времени t открывается первый диод 10 и ток (i) под действием накопленной электромагнитной энергии трансформатора начинает протекать по следующей электрической цепи:
- входная положительная клемма 1 - первая обмотка 5 трансформатора, первый диод 10 - первый конденсатор 13, подключенная к выходным клеммам 3 и 4 нагрузка (не показана), входная отрицательная клемма 2.
уэ8
После открытия первого диода 10, когда протекающий ток через второй транзистор 8 равен 0, снимают сигнал управления (u) с его управляющего электрода. Благодаря этому второй транзистор 8 выключается при отсутствии тока, протекающего через его силовые электроды, что повышает надежность всего устройства.
В дальнейшем электрические процессы повторяются аналогичным образом с заданным периодом.
В обратном направлении преобразования электрической энергии от выходной положительной клеммы 3 к входной положительной клемме 1 преобразователь работает следующим образом:
0
уэ9
5
В момент времени t (фигура 3) подают управляющий сигнал (u) на управляющий электрод третьего транзистора 9. В результате образуются два контура для протекания тока. В первом контуре ток (i) протекает от выходной положительной клеммы 3 через открытый третий транзистор 9, первую обмотку 5 трансформатора, третий конденсатор 15 и нагрузку (не показана). При этом в индуктивности первой обмотки 5 трансформатора происходит накопление электромагнитной энергии. Второй диод 11 заперт под воздействием приложенного к нему обратного напряжения между выходными клеммами 3 и 4.
6
В контуре, образованном второй обмоткой 6 трансформатора, вторым конденсатором 14 и открытым третьим диодом 12 начинается колебательный процесс, сопровождаемый разрядом и перезарядом второго конденсатора 14. При этом ток (i), протекающий через вторую обмотку 6 трансформатора возрастает, а затем спадает до нуля.
1
14
6
В момент времени t, когда второй конденсатор 14 заряжается до максимального значения напряжения (u), ток (i) достигает нуля, а третий диод 12 переходит в непроводящее состояние.
1
2
5
На интервале от t до t в схеме предлагаемого устройства происходит накопление в индуктивности первой обмотки 5 трансформатора электромагнитной энергии, поступающей от выходных клемм 3 и 4. Ток (i) протекает через контур, образованный открытым третьим транзистором 9, первой обмоткой 5 трансформатора, третьим конденсатором 15 и нагрузкой (не показана).
2
уэ8
В момент времени t под воздействием управляющего сигнала (u), поступающего на управляющий электрод второго транзистора 8, он отпирается и начинается вторая половина резонансного процесса, в результате которого происходит разряд и перезаряд второго конденсатора 14.
В момент времени t' входной ток меняет свой знак на противоположный, в результате чего отпирается первый диод 10.
9
9
После открытия первого диода 10, когда протекающий ток (i) через третий транзистор 9 равен 0, снимают сигнал управления с его управляющего электрода. Благодаря этому третий транзистор 9 выключается при отсутствии тока (i), протекающего через его силовые электроды, что повышает надежность всего устройства.
3
В момент времени t ток через первый диод 10 достигает нуля и он закрывается. В результате этого ток, накопленный в индуктивности трансформатора, протекает в контуре второй обмотки 6 трансформатора. При этом ток нагрузки поддерживается за счет запасенной в третьем конденсаторе 15 энергии электростатического поля.
4
вых
5
В момент времени t значение напряжения на втором конденсаторе 14 превышает напряжение - U, в результате чего второй диод 11 переходит в состояние проводимости. Начинается процесс передачи накопленной в индуктивности первой обмотки 5 трансформатора электромагнитной энергии на входные клеммы 1 и 2 преобразователя. Ток (i) протекает через второй диод 11, первую обмотку 5 трансформатора, третий конденсатор 15 и нагрузку (не показана).
6
Одновременно происходит разряд второго конденсатора 14, длящийся до момента времени t''. В этот момент ток (i) второй обмотки 6 трансформатора меняет знак и начинает протекать через третий диод 12.
После открытия третьего диода 12, когда протекающий ток через второй транзистор 8 равен 0, снимают сигнал управления с его управляющего электрода. Благодаря этому второй транзистор 8 выключается при отсутствии тока, протекающего через его силовые электроды, что повышает надежность всего устройства.
5
6
В момент времени t ток (i) второй обмотки 6 трансформатора спадает до нуля и третий диод 12 запирается.
6
Момент начала нового периода работы обозначен как t.
В дальнейшем электрические процессы повторяются аналогичным образом с заданным периодом.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет осуществлять преобразование электрической энергии в прямом и обратном направлении при малых коммутационных потерях в транзисторах, благодаря их выключению при нулевых токах, и соответственно обеспечивает защиту устройства при возникновении перенапряжения на конденсаторе, что повышает его надежность.
Предварительные испытания подтвердили возможность широкого промышленного внедрения предлагаемого преобразователя.
Хотя основные технические особенности и преимущества предложения подробно описаны посредством вышеприведенного предпочтительного варианта осуществления, очевидно, объем защиты полезной модели не ограничивается вышеописанным, а включает в себя разнообразные очевидные альтернативные схемы, в соответствии с вышеописанной концепцией.