ДВУХКАСКАДНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА В ПОСТОЯННЫЙ

Предлагаемая модель относится к области электротехники и преобразовательной техники и может быть использована для обеспечения электроэнергией потребителей постоянного тока с необходимым уровнем и стабильностью напряжения, например, при питании их от нетрадиционных источников электроэнергии в виде солнечных батарей, термоэлектрических генераторов и других источников питания, в том числе имеющих значительное внутреннее сопротивление.
Известно устройство для преобразования постоянного тока (Патент на полезную модель №54472, Россия, 2006 год), содержащее первую и вторую магнитно-связанные индуктивности, первый, второй и третий конденсаторы, диод, систему управления полупроводниковым ключом, полупроводниковый ключ, первый электрод которого подключен к первому выходу от источника питания, а между первым и вторым электродами ключа включена система управления, третий электрод ключа присоединен к аноду диода и к первому выводу первой индуктивности, второй вывод которой подключен ко второму выходу от источника питания, первый вывод второй индуктивности подключен к катоду диода и к точке соединения первого вывода первого конденсатора с первым выводом второго конденсатора, второй вывод второй индуктивности подключен ко второму выводу первого конденсатора и к первому выводу третьего конденсатора, второй вывод которого подключен ко второму выводу второго конденсатора и к первому выходу от источника питания.
Недостатком устройства являются повышенные потери в источнике энергии из-за существенных пульсаций входного тока, формируемого устройством, особенно при необходимости получения высокого уровня выходного напряжения по отношению к напряжению источника. Кроме того, возможность повышения напряжения на нагрузке ограничивается уровнем накопленной энергии в одном элементе - в индуктивности.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому техническому решению является устройство двухкаскадного преобразования постоянного тока в постоянный, содержащее первую индуктивность, вторую индуктивность магнитно-связанную с первой, и третью индуктивность, первый, второй, третий и четвертый конденсаторы, первый и второй диоды, систему управления полупроводниковым ключом, полупроводниковый ключ, первый электрод которого подключен к первому выходу от источника питания, а между первым и вторым электродами ключа включена система управления, первый вывод первой индуктивности подключен ко второму выходу от источника питания, первый вывод второй индуктивности подключен к катоду первого диода и первому выводу первого конденсатора, второй вывод второй индуктивности соединен с первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого соединен со вторым выводом первого конденсатора и с первым электродом ключа, второй вывод первой индуктивности подключен к аноду второго диода, первому выводу третьей индуктивности и к первому выводу третьего конденсатора, второй вывод которого подключен к первому электроду ключа, третий электрод которого присоединен ко второму выводу третьей индуктивности и к первому выводу четвертого конденсатора, второй вывод которого подключен к аноду первого диода и к катоду второго диода (патент на полезную модель №64449, Россия, 2007 год).
Недостатками указанного устройства являются повышенные потери в источнике за счет наличия пульсационной составляющей во входном токе, а также значительные размеры дросселя с магнитно-связанными индуктивностями вследствие того, что через вторичную обмотку дросселя протекает весь ток нагрузки.
Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, заключается в устранении указанных недостатков, а именно в снижении пульсаций входного тока устройства и улучшении массогабаритных показателей устройства.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве двухкаскадного преобразования постоянного тока в постоянный, первый каскад которого содержит первую и вторую индуктивность, магнитно-связанную с первой, первый и второй конденсаторы, второй каскад которого содержит третью индуктивность третий и четвертый конденсаторы, первый и второй диоды, систему управления полупроводниковым ключом, полупроводниковый ключ, первый электрод которого подключен к первому выходу от источника питания, а между первым и вторым электродами ключа включена система управления, первый вывод первой индуктивности подключен ко второму выходу от источника питания, катод первого диода подключен к первому выводу третьего конденсатора, второй вывод которого соединен с первым электродом ключа, второй вывод первой индуктивности подключен к аноду второго диода, первому выводу третьей индуктивности, второй вывод которой присоединен к третьему электроду ключа и к первому выводу четвертого конденсатора, второй вывод которого подключен к аноду первого диода и к катоду второго диода, отличающееся тем, что первый вывод второй индуктивности подключен к первому выводу третьей индуктивности, второму выводу первой индуктивности и аноду второго диода, второй вывод второй индуктивности подключен к первому выводу первого конденсатора, второй вывод которого соединен с первым электродом ключа, вторым выводом третьего конденсатора, первым выводом источника питания и вторым выводом второго конденсатора, первый вывод которого подключен ко второму выводу источника питания и первому выводу первой индуктивности.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в формировании модифицированного входного фильтрующего каскада, который за счет замыкания пульсационной составляющей тока, потребляемой вторым каскадом в цепи вторичной обмотки дросселя с магнитно-связанными индуктивностями, позволяет практически исключить пульсации входного тока регулятора. А малая, по сравнению с током нагрузки, величина пульсационной составляющей тока позволит при изготовлении вторичной обмотки дросселя с магнитно-связанными индуктивностями использовать провод меньшего сечения, улучшая таким образом массогабаритные показатели устройства.
На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема устройства. Устройство содержит первую индуктивность 1, вторую индуктивность 2, магнитно-связанную с первой, и третью индуктивность 3, первый конденсатор 4, второй конденсатор 5, третий конденсатор 6 и четвертый конденсатор 7, первый диод 8 и второй диод 9, полупроводниковый ключ 10 с системой управления 11. При этом электрод 12 полупроводникового ключа подключен ко входу 13 источника питания, между электродами 12 и 14 ключа 10 подключена система управления 11, а электрод 15 ключа присоединен к выводу 16 индуктивности 3 и к выводу 17 конденсатора 7, вывод 18 которого подключен к точке соединения катода 19 диода 9 с анодом 20 диода 8. Анод 21 диода 9 подключен к выводу 22 индуктивности 3, выводу 23 индуктивности 2 и выводу 24 индуктивности 1, вывод 25 которой подключен к входу 26 источника питания и выводу 27 конденсатора 5. Вывод 28 конденсатора 5 подключен ко входу 13 источника питания. Катод 29 диода 8 подключен к выводу 30 конденсатора 6, вывод 31 которого присоединен к выводу 32 конденсатора 4 и к входу 13 от источника питания, вывод 33 конденсатора 4 подключен к выводу 34 индуктивности 2.
Работает устройство следующим образом. При включенном ключе 10 энергия от источника запасается в реактивных элементах схемы, при выключенном ключе 10 энергия, запасенная в реактивных элементах за время предыдущего состояния ключа, передается в нагрузку.
1
2
3
На фиг.2 представлены диаграммы, поясняющие процесс передачи энергии в нагрузку, а также режимы работы каждого элемента повышающего каскада, состоящего из индуктивности 3, конденсатора 6, конденсатора 7, диода 8, диода 9 и полупроводникового ключа 10 с системой управления 11. В момент времени t на полупроводниковый ключ 10 подается управляющий импульс (кривая U14) и он переходит в проводящее состояние. После включения ключа 10 к диоду 8 прикладывается обратное напряжение и он отключает цепь нагрузки от источника (кривая UVD8). В это время питание нагрузки происходит за счет энергии накопленной в конденсаторе 6 и напряжение на конденсаторе 6 постепенно снижается (кривая UC6). При этом индуктивность 3 и конденсатор 7 подключаются к источнику по цепи "источник - индуктивность 1 - индуктивность 3 - ключ 10" и по цепи "источник - индуктивность 1 - диод 9 - конденсатор 7 - ключ 10" соответственно. После подключения этих элементов к источнику, энергия, предаваемая от источника, начинает накапливаться в этих элементах за счет нарастания тока в индуктивности 3 (кривая IL3) и напряжения на конденсаторе 7 (кривая UC7). Выключение полупроводникового ключа 10 (момент времени t) приведет к перебросу тока из диода 9 (кривая IVD9) в индуктивность 3 и, как следствие, открытию диода 8 и закрытию диода 9 в момент времени t. В результате, индуктивность 3 и конденсатор 7 будут подключены последовательно с источником, что приведет к началу процесса передачи энергии запасенной в индуктивности 3 и конденсаторе 7 в нагрузку и конденсатор 6.
Принцип действия фильтрующего каскада, состоящего из индуктивности 1, индуктивности 2, конденсатора 4 и конденсатора 5 поясняется диаграммами, представленными на фиг.3. В общем случае, напряжение на входе повышающего каскада (кривая U21) может быть представлено в виде суммы переменной и постоянной составляющих. При достаточно большой емкости конденсатора 4, напряжение на нем будет иметь только постоянную составляющую и будет равно постоянной составляющей напряжения на входе повышающего каскада (кривая UC4), вследствие чего к индуктивности 2 будет приложено напряжение равное переменной составляющей напряжения на входе повышающего каскада (кривая UL2). Из-за наличия магнитной связи между индуктивностью 1 и индуктивностью 2, на индуктивности 1 будет наводиться ЭДС, препятствующая протеканию переменной составляющей тока, потребляемого повышающим каскадом (кривая IL3+IVD9), через источник. Поэтому вся переменная составляющая тока повышающего каскада будет протекать в обход источника через индуктивность 2 и конденсатор 4 (кривая IL2), а от источника будет потребляться только постоянная составляющая тока (кривая Lin). Конденсатор 5 используется для сглаживания малой пульсационной составляющей тока индуктивности 1, которая появляется из-за не идеальности конденсатора 4.