ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ
VOLTAGE CONVERTER

Изобретение относится к области электротехники, в частности, преобразовательной техники, и может быть использовано при проектировании вторичных источников электропитания различного назначения.
Известны многочисленные источники электропитания, которые содержат в своем составе различные устройства - выпрямители, стабилизаторы, пребразователи напряжения и др., состоящие из разнообразных узлов и элементов: трансформаторов, дросселей фильтра, диодов, транзисторов и т.д.
Большинство источников питания содержит в своем составе дроссель фильтра (сглаживающий дроссель), который оказывает существенное влияние на объем и массу устройства, особенно при низком уровне пульсаций выходного напряжения. Большие объем и масса дросселя фильтра являются недостатком таких источников питания [1,2].
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению, которое может быть принято за прототип, является двухтактный преобразователь напряжения, содержащий два ключевых транзистора, выходной трансформатор, выпрямитель, дроссель фильтра, выходной конденсатор и систему управления [2].
Одним из недостатков этого преобразователя также являются большие объем и масса дросселя фильтра при низкой частоте преобразования и низком уровне пульсаций выходного напряжения.
В предлагаемом преобразователе напряжения обеспечивается снижение удельных объемно-массовых показателей дросселя фильтра. Положительный эффект достигается за счет изменения структурной схемы преобразователя и повышения эффективности дросселя фильтра.
Для достижения технического результата в предлагаемом преобразователе напряжения использованы два силовых каскада вместо обычно применяющегося одного, в дроссель фильтра введена вторая компенсирующая обмотка, выходы силовых каскадов через обмотки дросселя фильтра подключены к нагрузке.
На фиг. 1 представлена обобщенная структурная схема предлагаемого преобразователя напряжения.
Преобразователь напряжения содержит первый силовой каскад 1, дроссель фильтра 2 с первой обмоткой 3, выходной конденсатор 4, включенный параллельно нагрузке 5, и устройство управления 6. Начало первой обмотки 3 подключено к выходу первого каскада 1, а ее конец подключен к нагрузке 5.
В преобразователь напряжения введен второй силовой каскад 7, идентичный по схеме и выходным параметрам с первым силовым каскадом 1. По входу силовые каскады 1 и 7 соединены параллельно. В дроссель фильтра 2 введена вторая обмотка 8, число витков которой равно числу витков первой обмотки 3. Первая и вторая обмотки включены встречно-параллельно, конец второй обмотки 8 подключен к выходу второго силового каскада 7, а ее начало подключено к нагрузке 5. По выходу каскады 1 и 7 соединены параллельно и через обмотки 3 и 8 дросселя фильтра 2 подключены к нагрузке 5.
Для улучшения магнитной связи между обмотками 3 и 8 дросселя 2 они намотаны бифилярно [3].
Выходы устройства управления 6 подключены к управляющим входам силовых каскадов 1 и 7, а его вход подключен к нагрузке 5.
В качестве силовых каскадов могут быть использованы различные устройства, выполненные по разным электрическим схемам. Приведенные в качестве примеров структурные схемы предлагаемого преобразователя напряжения с различными схемами силовых каскадов представлены на фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4.
На фиг. 2 приведена схема преобразователя напряжения, в котором силовыми каскадами являются однофазные двухполупериодные выпрямители со средней точкой, содержащие трансформатор 9 с двумя вторичными обмотками 10 и 11, две пары диодов 12,13 (каскад 1) и 14,15 (каскад 7).
В этом преобразователе напряжения устройство управления отсутствует. Остальные элементы аналогичны с элементами, входящими в схему, изображенную на фиг. 1.
На фиг. 3 представлена структурная схема преобразователя напряжения, силовыми каскадами которого являются импульсные стабилизаторы напряжения с последовательным ключевым элементом. Каскады 1 и 7 содержат ключевые транзисторы 16,17 и обратные диоды 18,19. В преобразователь напряжения входит устройство управления 6, состоящее из широтно -импульсного модулятора 20, задающего генератора 21, усилителя обратной связи 22, источника опорного напряжения 23 и резисторного делителя напряжения 24. Вход устройства управления 6 подключен к нагрузке 5, а выходы - к базам ключевых транзисторов 16,17.
На фиг. 4 приведена структурная схема преобразователя напряжения с силовыми каскадами, которые представляют собой узлы двухтактного преобразователя с выходным трансформатором, который содержит два ключевых транзистора 25, 26 и трансформатор 27. Вторичные обмотки 28, 29 трансформатора 27 и подключенные к ним выпрямители 30, 31 образуют силовые касакады 1 и 7 предлагемого преобразователя напряжения. Положительный выходной вывод выпрямителя 30 подключен к началу обмотки 3 дросселя 2, положительный выходной вывод выпрямителя 31 - к концу обмотки 8 дросселя 2, а отрицательные выходные выводы выпрямителей 30,31 соединены с отрицательным выводом нагрузки 5. Устройство управления 6 преобразователя напряжения имеет аналогичную структурную схему и те же обозначения и номера узлов, что и устройство управления, структурная схема которого приведена на фиг. 3.
Предлагаемый преобразователь напряжения, структурная схема которого приведена на фиг. 1, работает следующим образом.
С выхода каскадов 1 и 7 пульсирующие напряжение и ток, содержащие постоянную и переменную составляющие, поступают на обмотки 3 и 8 дросселя 2. Постоянные составляющие этих токов, равные 1/2 тока нагрузки, свободно проходят через нагрузку, а переменные составляющие создают в магнитопроводе дросселя 2 соответствующий магнитный поток. Переменные составляющие магнитного потока, создаваемого обмотками 3 и 8, полностью совпадают между собой по амплитуде, форме и фазе, т.к. в преобразователь входят идентичные силовые каскады и применено общее устройство управления с одинаковыми выходными параметрами для обоих силовых каскадов.
Вследствие того, что обмотки 3 и 8 дросселя 2 включены встречно, указанные магнитные потоки взаимно компенсируются и переменная составляющая выходного напряжения силовых каскадов через дроссель 2 не проходит и на нагрузку 5 не поступает, т.е. теоретически при таком включении дросселя его индуктивность равна бесконечности.
Объяснить полную взаимную компенсацию переменной составляющей выходного напряжения двух силовых каскадов на обмотках дросселя можно и по-другому. Как известно, любая периодическая функция может быть разложена в ряд Фурье, состоящий из постоянной составляющей и гармонических составлящих (гармоник) по известным формулам разложения [3, 4]. Вследствие того, что схемы и параметры силовых ячеек идентичны, кривые их выходного напряжения раскладываются на одинаковые гармонические составляющие, которые поступают на обмотки 3 и 8 дросселя 2 и создают в его магнитопроводе одинаковые магнитные потоки. Так как обмотки 3 и 8 дросселя 2 включены встречно, соответствующие гармоники магнитного потока взаимно компенсируются в его магнитопроводе. При бифилярной намотке идентичных обмоток 3 и 8 это эквивилентно тому, что при предлагаемой схеме включения силовых каскадов и обмоток дросселя, его индуктивность равна бесконечности.
Таким образом, в предлагаемом преобразователе напряжения обеспечивается взаимная компенсация переменной составляющей выходного напряжения двух идентичных силовых каскадов, поступающего на нагрузку через две одинаковые, включенные встречно - параллельно обмотки дросселя фильтра.
Указанное включение узлов преобразователя напряжения эквивалентно увеличению до бесконечности индуктивности дросселя фильтра.
В предлагаемом преобразователе напряжения дроссель фильтра работает в особом режиме, при котором его эквивалентная индуктивность близка к бесконечности, что не позволяет произвести его расчет по обычной методике. Вследствие этого, параметры дросселя необходимо проектировать, считая что его обмотки соединены параллельно и согласно, а также учитывая то, что индуктивность дросселя в рабочем состоянии должна обеспечивать заданную амплитуду первой гармоники пульсаций напряжения на нагрузке, обусловленную возможной неидентичностью параметров силовых каскадов и обмоток дросселя фильтра.
Несмотря на это, в предлагаемом преобразователе напряжения дроссель фильтра имеет эквивлентную индуктивность во много раз большую, чем обычный дроссель фильтра в известных схемах, при одинаковых размерах и массе или существенно меньшие объем и массу при необходимой индуктивности.
Новым в изобретении является использование в различных преобразователях напряжения двух одинаковых силовых каскадов, выходные напряжения которых равны между собой и совпадают по фазе, работают параллельно на общую нагрузку и подключенны к ней через две встречно -параллельно включенные обмотки дросселя фильтра.
На основании изложенного может быть сделан вывод, что предлагаемое устройство позволяет получить положительный эффект.
Изобретение является новым, т.к. при анализе доступных источников информации не выявлено аналогов с подобной совокупностью существенных признаков.
Литература
1. Полупроводниковые выпрямители. Под ред. Ф.И. Ковалева и Г.П. Мостковой. М.: Энергия, 1978, с. 36- 118.
2. Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи. М.: Энергоатомиздат, 1986, с. 121 - 131, 147 - 157.
3. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. М.: Высшая школа, 1973, с. 225-231.
4. Нетушил А.В., Страхов СВ. Основы электротехники, ч. 2. - М. - Л.: ГЭИ, 1955, с. 210-211.