ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована при построении импульсных источников электропитания.
Известны преобразователи постоянного напряжения, в которых ограничение импульсных выбросов напряжения на ключах в момент их закрывания ограничивается специальной схемой построения силового каскада, когда энергия выброса рекуперируется в источник входного напряжения [1]. Однако такое построение силового каскада значительно усложняет узел управления и ухудшает массо-габаритные показатели преобразователя напряжения в целом.
Известны также преобразователи постоянного напряжения, в которых ограничение импульсных выбросов напряжения на ключе в момент закрывания последнего реализуется введением в схему дополнительных CLD-цепей [2]. При этом энергия выброса при закрывании ключа запасается в конденсаторе, а во время открытого состояния ключа частично рекуперируется на вход, а частично рассеивается на элементах силового каскада.
К недостаткам указанного технического решения можно отнести относительно высокие потери мощности в цепи ограничения выброса напряжения и ключе, что уменьшает КПД преобразователя постоянного напряжения.
Наиболее близким по технической сущности и решаемой технической задаче является известный преобразователь постоянного напряжения, силовой каскад которого приведен в [3]. Нижняя по схеме обкладка конденсатора С может быть подключена к любому выводу источника входного напряжения. Его функциональная схема показана на фиг.1. Преобразователь постоянного напряжения содержит трансформаторно-выпрямительный
узел, первый вход которого соединен с первым выводом входного напряжения, а второй вход через силовые выводы ключа - с вторым выводом входного напряжения, узел управления, выход которого соединен с управляющим выводом ключа, а входы обратной связи подключены к выходам трансформаторно-выпрямительного узла, являющимися выводами выходного напряжения, диод, один вывод которого подключен к точке соединения ключа и трансформаторно-выпрямительного узла, а другой вывод через параллельно соединенные конденсатор и резистор - к первому выводу входного напряжения.
Общими признаками предлагаемого технического решения и прототипа являются трансформаторно-выпрямительный узел, первый вход которого соединен с первым выводом входного напряжения, а второй вход через силовые выводы ключа - с вторым выводом входного напряжения, узел управления, выход которого соединен с управляющим выводом ключа, а входы обратной связи подключены к выходам трансформаторно-выпрямительного узла, являющимися выводами выходного напряжения, диод, один вывод которого подключен к точке соединения ключа и трансформаторно-выпрямительного узла, а другой вывод через конденсатор - к первому выводу входного напряжения.
0
1
1
2
Временные диаграммы токов в ключе преобразователя постоянного напряжения показаны на фиг.2а, диаграммы напряжений - на фиг.2б. На интервале времени tt показаны процессы при малых токах ключа, на интервале времени tt - процессы при максимальном токе. Непосредственно перед закрыванием ключа через него протекает нарастающий ток, который в момент закрывания имеет максимальное значение в рассматриваемом интервале работы. Сразу после закрывания ключа вследствие наличия индуктивности рассеяния трансформатора и времени восстановления диодов трансформаторно-выпрямительного узла указанный ток мгновенно прерваться не может. Некоторое время он еще протекает в прежнем направлении, но течет теперь через диод VD и конденсатор С, заряжая
последний. При этом выброс напряжения на ключе ограничивается на уровне Uкл=Uвх + Uс и имеет максимальное значение при максимальном входном напряжении (выброс напряжения при отсутствии указанной RCD-цепи показан пунктиром). При малых токах ключа это значение существенно меньше максимально-допустимого напряжения Uкл.макс. В оставшееся время рассматриваемого периода конденсатор С разряжается через параллельно включенный резистор R. Таким образом на конденсаторе С действует постоянное напряжение Uc=Uoгp1 - Uвх с переменной составляющей, амплитуда которой определяется постоянной времени разряда τ=R×C.
1
2
При максимальном выходном токе (интервал времени tt) ток при закрывании ключа также максимальный, что рождает и максимальный выброс напряжения Uкл. Его значение может превышать максимально-допустимое напряжение Uкл.макс, что, в свою очередь, приведет к выходу из строя ключа (выброс напряжения при отсутствии указанной RCD-цепи также показан пунктиром). Наличие рассматриваемой RCD-цепи уменьшает выброс напряжения на ключе до допустимого значения Uoгp2<Uкл.макс.
Уменьшение напряжения на ключе до допустимого значения достигается как уменьшением сопротивления резистора R, так и увеличением емкости конденсатора С. В первом случае уменьшается среднее значение напряжения на конденсаторе Uc, а во втором - амплитуда переменной составляющей напряжения на нем. В дальнейшем будем рассматривать только случай, когда амплитуда переменной составляющей напряжения мала. При этом диаграмма напряжения на конденсаторе С практически представляет собой линию.
0
1
К недостаткам рассматриваемого технического решения относится уменьшенный КПД преобразователя постоянного напряжения. Даже в случае, когда ограничение напряжения и не требуется (фиг.2б, интервал времени tt), выделение мощности на резисторе R продолжается. Максимальная же мощность, рассеиваемая на резисторе R в зависимости от
схемы и параметров трансформаторно-выпрямительного узла, может составлять 2...3% от выходной мощности преобразователя постоянного напряжения.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является увеличение КПД преобразователя постоянного напряжения.
Поставленная техническая задача решается тем, что предлагается преобразователь постоянного напряжения, содержащий трансформаторно-выпрямительный узел, первый вход которого соединен с первым выводом входного напряжения, а второй вход через силовые выводы ключа - с вторым выводом входного напряжения, узел управления, выход которого соединен с управляющим выводом ключа, а входы обратной связи подключены к выходам трансформаторно-выпрямительного узла, являющимися выводами выходного напряжения, диод, один вывод которого подключен к точке соединения ключа и трансформаторно-выпрямительного узла, а другой вывод через конденсатор - к первому выводу входного напряжения, причем в него введен конвертор напряжения, входы которого подключены к выводам конденсатора, выходы - к выходным выводам преобразователя постоянного напряжения, один вход обратной связи соединен со вторым выводом питания, а другой - с точкой соединения конденсатора и диода.
Введение в устройства дополнительных элементов и неочевидных связей позволили увеличить КПД преобразователя постоянного напряжения.
Заявитель не обнаружил технических решений, имеющих сходные признаки с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, а следовательно, предлагаемое техническое решение обладает существенными отличиями.
Предлагаемое устройство изготавливается из стандартных элементов, которые серийно выпускаются промышленностью. Оно собирается типовыми монтажными операциями с помощью стандартного оборудования, что
особенно важно при серийном производстве. Поэтому предлагаемое устройство удовлетворяет критерию промышленной применимости.
На фиг.3 приведена функциональная схема преобразователя постоянного напряжения. Предлагаемый преобразователь постоянного напряжения содержит узел управления 1, ключ 2, трансформаторно-выпрямительный узел 3, диод 4, конденсатор 5 и конвертор напряжения 6.
В предлагаемом преобразователе постоянного напряжения первый вход трансформаторно-выпрямительного узла 3 соединен с первым выводом входного напряжения, а второй вход через ключ 2 - с вторым выводом входного напряжения. Управляющий вывод силового ключа 2 соединен с выходом узла управления 1, входы обратной связи которого подключены к выходным выводам трансформаторно-выпрямительного узла 3, являющимся выходами преобразователя постоянного напряжения. Один вывод диода 4 подключен к точке соединения трансформаторно-выпрямительного узла 3 и ключа 2, а второй вывод через конденсатор 5 - к первому выводу входного напряжения. Параллельно конденсатору 5 подключены входы конвертора напряжения 6, выходы которого соединены с выводами выходного напряжения преобразователя постоянного напряжения, один вход обратной связи соединен со вторым выводом питания, а другой - с точкой соединения конденсатора 5 и диода 4.
Цепь обратной связи конвертора напряжения 6 настраивается на значение напряжения Uогp (фиг.4б), при котором обеспечивается безопасная работа преобразователя постоянного напряжения. При достижении напряжением Uвх + Uc значения Uoгp конвертор напряжения 6 включается и преобразует постоянное напряжение на конденсаторе 5 в постоянное напряжение номинала Uвых. С выхода конвертора напряжения 6 это напряжение подается непосредственно на выход преобразователя постоянного напряжения.
Работа преобразователя постоянного напряжения происходит следующим образом. При работе в режиме малых токов напряжение на
0
1
VD
входах обратной связи конвертора напряжения 6 Uoc<Uoгp и конвертор напряжения 6 не работает, конденсатор 5 не разряжается, а амплитуда выбросов напряжения на ключе 2 не ограничивается - Uкл=Uвх. макс + Uc (фиг.4б, интервал времени tt). С увеличением выходного тока амплитуда выбросов напряжения на ключе 2 увеличивается. При достижении напряжением (Uвх.макс + Uc) значения Uoгp конвертор напряжения 6 включается и указанное напряжение стабилизируется на значении Uoгp. При этом выброс напряжения на ключе 2 ограничивается на уровне (Uoгp + U) ~ Uoгp. Поскольку КПД конвертора напряжения 6 в зависимости от номинала напряжения Uвых составляет 70...90%, последний рассеивает на своих элементах мощность значительно меньше, чем используемый в прототипе резистор R, что увеличивает КПД преобразователя постоянного напряжения в целом.
0
1
Настройка конвертора напряжения 6 на меньшее напряжение включения еще больше повышает КПД предлагаемого преобразователя напряжения. На фиг.5 на интервале времени tt показаны временные диаграммы напряжения на ключе 2 для Uoгp2<Uoгp1. Вместе с уменьшением напряжения Uoгp уменьшается и допустимое напряжение ключа Uкл.макс, что, в свою очередь, позволяет применять более низковольтные ключи с меньшими потерями в открытом состоянии.
Источники, используемые при написании заявки.
1. В.И.Мелешин. Транзисторная преобразовательная техника.: «Техносфера», 2005, с.262, рис.12.8.
2. Браун М. Источники питания. Расчет и конструирование.: Пер. с англ. - К.: «МК-Пресс», 2005, с.165, рис.4.5.
3. В.И.Мелешин. Транзисторная преобразовательная техника.: «Техносфера», 2005, с.526, рис.24.10б.