Двунаправленный преобразователь напряжения со связанными дросселями

Полезная модель относится к преобразователям постоянного или переменного тока, к источникам напряжения и может быть применена на подвижном транспорте, в том числе электромобилях, в бытовой электронике для питания или зарядки аккумуляторов, в портативных устройствах, автономных электростанциях, а также в промышленной электронике для питания различных типов потребителей.
Широко распространены технические решения для понижения напряжения на выходе, (Мелешин В.И., Транзисторная преобразовательная техника, М, Техносфера, 2005, стр. 229), такие как понижающие преобразователи, состоящие из транзистора, диода, дросселя и конденсатора (фиг. 1а). В данном случае во время открытия транзистора 1 ток протекает через него в нагрузку подключаемую к точке V2, попутно накапливая энергию в дросселе 3 и конденсаторе 4. После закрытия 1 дроссель 3 отдает энергию, стремясь сохранить значение тока и его направление, диод 2 замыкает цепь и ток продолжает течь по цепи «2-3-4 -нагрузка», при этом напряжение на выходе данного преобразователя будет пропорционально времени открытия транзистора 1.
Так же существуют более усовершенствованные схемы понижающих преобразователей напряжения (фиг. 1б), где диод 2 заменен на транзистор 1. Данное решение позволяет увеличить коэффициент полезного действия и позволяет осуществить двунаправленную передачу энергии, от входа к выходу (V1-V-2) или от выхода ко входу (V2-V1).
Так же известны такие преобразователи напряжения (Мелешин В.И., Транзисторная преобразовательная техника, М, Техносфера, 2005, стр. 234), как повышающие. Самые простейшие из которых состоят из того же набора компонентов как и понижающие т.е. транзистор, диод, конденсатор, дроссель (фиг. 2а). Данное устройство работает следующим образом:
В момент подачи питания V1 конденсатор 4 находится под потенциалом VI минус прямое падение напряжения на диоде 2, т.к. ток проходит через дроссель 3 и диод 2. Управляющее устройство подает сигнал на затвор транзистора 1. Транзистор 1 открывается и получается, что цепь замыкается, дроссель 3 подключается к источнику питания и начинает накапливать энергию. Ток через диод 2 не протекает, т.к. потенциал на катоде выше, чем потенциал на аноде. Затем транзистор 1 закрывается. В этот момент дроссель 3 стремится поддержать значение тока, путем увеличения потенциала. На входе дросселя 3 потенциал все тот же - VI, а следовательно потенциал вырастает в точке «3-сток 1-анод 2». Когда потенциал в данной точке станет больше, чем потенциал на катоде диод 2 ток начнет протекать через диод 2 в нагрузку и параллельно заряжать конденсатор 4. На этой стадии цепь так же замыкается, но уже не через транзистор 1, а через путь «3-1-4-нагрузка». Для улучшения коэффициента полезного действия заменяют диод 2 на транзистор 1 (фиг. 2б).
Главный недостаток таких преобразователей, повышающего и понижающего - это повышенный уровень пульсации напряжения на входе и выходе модуля приводящие к необходимости применения массивных входных и выходных LC-фильтров. Эти пульсации ухудшают электромагнитную совместимость преобразователей с потребителями выходного напряжения и питающей сети. А так же преобразователи с диодами невозможно использовать для двунаправленной передачи энергии от входа к выходу и от выхода ко входу.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является переключаемый преобразователь DC-DC Kappa с непрерывным входным и выходным током (US 10797593, опубл. 10.06.2020). Он состоит из двух транзисторных ключей, схемы управления, двух дросселей для каждого плеча и конденсатора между ними. Карра преобразователь, в зависимости от схемы управления может работать как в понижающем, так и в повышающем режиме.
В данном преобразователе, дроссели выполняют двойную функцию как элемент накапливания энергии, так и фильтрующий элемент. Данная особенность уменьшает пульсации на входе и выходе преобразователя напряжения, что в свою очередь снижает амплитуду помех в диапазоне основной гармоники, а также улучшает ЭМС преобразователя. Также данный преобразователь является двунаправленным и может передавать энергию как от входа к выходу и от выхода ко входу.
Недостатком данного типа преобразователя является необходимость использовать два отдельно стоящих дросселя. Это приводит к значительному увеличению его габаритных размеров и снижает область его применения. Также преобразователь имеет повышенную амплитуду импульсного тока в дросселях, что приводит к дополнительным потерям и снижает общую эффективность преобразователя.
Технический результат заключается в создании двунаправленного преобразователя напряжения обладающего уменьшенным уровнем высокочастотных колебаний на входе и выходе модуля преобразователя за счет наличия магнитной связи между дросселями, что также улучшает электромагнитную совместимость данного устройства с подключаемыми к нему потребителями и общей питающей его сетью, уменьшает габариты преобразователя и приводит к уменьшению максимальной амплитуды тока в дросселях и транзисторах преобразователя.
Технический результат достигается тем, что двунаправленный преобразователь напряжения со связанными дросселями состоящий из двух транзисторов, схемы управления, трех конденсаторов и двух дросселей, отличающийся тем, что два дросселя гальванически и магнитно связаны друг с другом и расположены на одном сердечнике.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1а изображен понижающий преобразователь с диодным выпрямлением, на фиг. 1б изображен понижающий преобразователь с синхронным выпрямлением, на фиг. 2а изображен повышающий преобразователь с диодным выпрямлением, на фиг. 2б изображен повышающий преобразователь с синхронным выпрямлением, на фиг. 3 изображена схема двунаправленного преобразователя напряжения со связанными дросселями, на фиг. 4 изображен пример понижающее-повышающего исполнения двунаправленного преобразователя напряжения со связанными дросселями, на фиг. 5 изображен пример повышающее-понижающего исполнения двунаправленного преобразователя напряжения со связанными дросселями.
На фиг. 1-5 приняты следующие обозначения:
1,7,11,12- транзистор;
2 - диод;
3,10,14,15 - дроссель;
4,9,17 - буферный конденсатор;
5 - сердечник;
6,13 - схема управления.
8,16 - конденсатор.
Двунаправленный преобразователь напряжения со связанными дросселями состоит из двух транзисторов, схемы управления, трех конденсаторов и двух дросселей гальванически связанных и расположенных на одном сердечнике. Предложенный двунаправленный преобразователь со связанными дросселями имеет возможность реверсивного включения.
Использование такого преобразователя делает возможным сочетания данного преобразователя как в понижающем включении преобразователя, так и в повышающем включении преобразователя. Возможно выполнение преобразователя в виде последовательного соединения повышающего и понижающего преобразователя данной конструкции, для получения повышающе-понижающего преобразователя, и обратного последовательного подключения понижающего и повышающего преобразователя данной конструкции, для получения понижающе-повышающего преобразователя.
Двунаправленный преобразователь напряжения со связанными дросселями работает следующим образом.
При подключении напряжения питания к точке V1 через буферный конденсатор 4, служащий компенсацией линии связи, а нагрузки к точке V2. Данный преобразователь работает как понижающий преобразователь напряжения. При подаче управляющих сигналов на замыкание транзистора 1 и размыкание транзистора 7 схемой управления 6, ток начинает течь по цепи через дроссель 3, открытый транзистор 1 и через нагрузку, подключенную к V2. Кроме того часть тока течет и через дроссель 10, конденсатор 8 и транзистор 1, замыкается через нагрузку подключенную к точке V2 нагрузку и дополнительно фильтруется буферным конденсатором 9. За счет внесенной общей магнитной связи между дросселями 3 и 10 мы получаем скомпенсированный общий ток, что существенно уменьшает пульсацию напряжения на входе и выходе преобразователя.
Если подключить источник питания к точке V2 через буферный конденсатор 9, служащий компенсацией линии связи, а нагрузку к точке V1, то данный преобразователь станет повышающим.
Данное устройство работает следующим образом: при подаче питания в точку V2 данный потенциал через подложечный диод транзистора 1 соединится с потенциалом входной сети и станет ему равным минус прямое падение на подложечном диоде. Напряжение на конденсаторе 8 также будет равно такому же потенциалу. Схема управления 6 подает сигнал и открывает транзистор 7 ток начинает течь по цепи V2-7-10 - общий провод, но так как индуктивность дросселя 10 препятствует резкому увеличению тока, напряжение на точке соединения дросселя 10 и конденсатора 8 возрастает до напряжения точки V2, что в свою очередь поднимает напряжение в точке соединения 1-8-3 на уровень в два раза больше чем входное напряжение. Схема управления 6 закрывает транзистор 7 ток в дросселе 10 начинает спадать по экспоненциальному закону, за счет этого напряжение в точке соединения дросселя 10 и конденсатора 8 начинает уменьшаться обратно пропорционально от времени открытия транзистора 7 относительно напряжения питания. Параллельно ток потечет и по дросселю 3 в нагрузку, подключенную к точке V1. При этом напряжение на выходе в точке V1 будет проинтегрировано полученным фильтром из дросселя 3 и нагрузкой, подключенной к V1. После закрытия транзистора 7 через определенное время ожидания схема управления 6 открывает транзистор 1, потенциал в точке соединения транзистора 1 и конденсатора 8 опять сравняется с потенциалом входного напряжения. И дополнительно фильтруется буферным конденсатором 4. Дальнейшие такты работы повторяются циклично с поочередным включением и отключением соответствующих транзисторов.
Основное достоинство данного исполнения двунаправленного преобразователя со связанными дросселями, является уменьшение массогабаритных показателей, и сформированный с помощью такой намотки дросселей фильтр синфазных помех, более эффективно подавляет помехи и улучшает ЭМС преобразователя, по сравнению с другими видами подобных устройств. А также уменьшается амплитуда тока в дросселях и силовых транзисторах, что приводит к повышению эффективности преобразователя.
Пример 1
Понижающее-повышающее исполнение данного модуля содержит в себе два последовательно соединенных звена, подключенных в повышающем и понижающем включениях (фиг. 4).
Буферный конденсатор 4 подсоединен одним своим выводом к общему проводу схемы, а другим к дросселю 3, к которому подключена точка V1. Два дросселя 3 и 10 выполнены на общем сердечнике 5, с расположенным между ними конденсатором 8. К точкам соединения конденсатора 8 и двух дросселей 3 и 10 подключены транзисторы 1 и 7 соответственно. К точке соединения транзисторов 1 и 7 подключен буферный конденсатор 9. Транзисторы 1 и 7 управляются схемой управления 6. К точке соединения буферного конденсатора 9 с транзисторами 1 и 7 подключаются транзисторы 11 и 12, на затворы которых подается управляющие сигналы из схемы управления 12. Транзисторы 11 и 12 соединены между собой конденсатором 16, а также к данным выводам соответственно подсоединены выводы дросселей 14 и 15, которые в свою очередь выполнены на одном сердечнике 5. Транзисторы 11 и 12 управляются схемой управления 13. К противоположному выводу дросселя 15 подсоединен буферный конденсатор 17, данное соединение образует точку V2.
Представленный преобразователь является полностью симметричным и может осуществлять двунаправленную передачу энергии от точки V1 к V2 или обратно.
Пример 2
Повышающее-понижающее исполнение данного преобразователя содержит в себе два последовательно соединенных звена, подключенных в понижающем и в повышающем включениях (фиг. 5).
Буферный конденсатор 17 подсоединен одним своим выводом к общему проводу схемы, а другим к транзисторам 11 и 12, данное соединение образует точку V1. Два дросселя 14 и 15 выполненных на общем сердечнике 5, с расположенным между ними конденсатором 16 подключаются к общему проводу и буферному конденсатору 4 соответственно. К точке соединения буферного конденсатора 4 и дросселя 14 и общему проводу подключаются дроссели 3 и 10 выполненные на одном сердечнике 5. Между дросселями 3 и 10 подключается конденсатор 8. К точке соединения дросселя 3 и конденсатора 8 подключается транзистор 1. К точке соединения дросселя 10 и конденсатора 8 подключается транзистор 7. Транзисторы соединяются между собой и конденсатором 9 в точке V2. Первая пара транзисторов 11, 12 управляются схемой управления 13, а вторая 1 и 7 управляются схемой управления 6.
Представленный преобразователь является полностью симметричным и может осуществлять двунаправленную передачу энергии от точки V1 к V2 или обратно.