Однотактный прямо-обратноходовой преобразователь
SINGLE-ENDED FORWARD-FLYBACK CONVERTER

Изобретение относится к области электротехники, включая импульсную силовую преобразовательную технику, и предназначено для использования в качестве вторичного источника электропитания с регулируемым выходным напряжением и повышенным коэффициентом полезного действия для питания нагрузок постоянного тока при наличии первичных автономных или общесетевых источников постоянного либо переменного тока, при этом в последнем случае преобразователь будет использоваться в качестве подсистемы преобразования постоянного напряжения в постоянное.
Известны однотактные прямо-обратноходовые преобразователи постоянного напряжения в постоянное (патент US 2014184093 (A1) от 28.12.2012г., патент US 2014035485 (А1) от 03.08.2012г., патент TW 201119201 (А) от 26.11.2009г.), содержащие полупроводниковые ключи, трансформаторы, выполненные с возможностью накопления энергии в индуктивности первичной обмотки и передачи ее на вторичную сторону в нагрузку.  При этом, потребляя энергию из сети на этапе импульса при замкнутом состоянии полупроводникового ключа, энергию в нагрузку преобразователь передает как на этапе импульса, так и на этапе паузы при разомкнутом состоянии полупроводникового ключа. Общими недостатками известных схем являются, во-первых, необходимость принятия мер с целью защиты полупроводникового ключа от всплесков напряжения в момент его запирания, вызванных наличием индуктивностей рассеяния обмоток трансформатора, что приводит, в конечном счете, к снижению КПД; во-вторых, необходимость принятия мер с целью исключения одностороннего подмагничивания трансформатора.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является принятый за прототип однотактный прямо-обратноходовой преобразователь постоянного напряжения с двумя трансформаторами (Y. Kang, B. Choi, W. Lim. Analysis and design of a forward-flyback converter employing two transformers. Conference Paper in PESC Record - IEEE Annual Power Electronics Specialists Conference · February 2001, pp. 357-362. DOI: 10.1109/PESC.2001.954046 · Source: IEEE Xplore).
Технические задачи, на решение которых направлено заявляемое изобретение, заключаются в повышении как энергетических, так и эксплуатационных показателей.
Указанные задачи решаются за счет того, что  однотактный прямо-обратноходовой преобразователь, содержащий источник постоянного напряжения, полупроводниковый ключ, отрицательный электрод которого соединен с отрицательной клеммой источника, первый и второй трансформаторы, первые первичные обмотки которых соединены последовательно, два вывода вторичных обмоток обоих трансформаторов объединены и подключены к отрицательной обкладке фильтрового выходного конденсатора, подключенного параллельно нагрузке, а к двум другим выводам каждой вторичной обмотки обоих трансформаторов подключены аноды двух выпрямительных диодов, катоды которых объединены, дополнительно содержит промежуточный конденсатор и шунтирующий диод, а первый и второй трансформаторы имеют вторые первичные обмотки, соединенные последовательно, первые первичные обмотки соединены встречно так, что объединены концы их обмоток, причем начало первой первичной обмотки первого трансформатора соединено с положительной клеммой источника питания, а начало первой первичной обмотки второго трансформатора соединено с положительным электродом полупроводникового ключа, у вторичных обмоток первого и второго трансформаторов объединены концы обмоток, а катоды выпрямительных диодов подключены к положительной обкладке выходного фильтрового конденсатора, вторые первичные обмотки соединены встречно так, что объединены концы их обмоток, при этом начало второй первичной обмотки первого трансформатора подключено к отрицательной клемме источника постоянного напряжения, а начало второй первичной обмотки второго трансформатора соединено с анодом шунтирующего диода, катод которого соединен с положительной клеммой источника постоянного напряжения, одна обкладка промежуточного конденсатора подключена к аноду шунтирующего диода, а другая – к положительному электроду полупроводникового ключа, открытое и закрытое состояния которого задаются независимым устройством управления. При этом в качестве полупроводникового ключа может быть использован, например, транзистор любого типа, отрицательная клемма источника постоянного напряжения и отрицательная обкладка фильтрового выходного конденсатора могут быть заземлены, а магнитопроводы первого и второго трансформаторов могут быть выполнены с немагнитными сосредоточенными либо распределенными зазорами.
Техническим результатом использования данного изобретения является   возможность повышения КПД за счет полезного использования энергии, накопленной в индуктивностях рассеяния трансформаторов, и одновременно при этом исключения  перенапряжений на полупроводниковых ключах, а также возможность улучшения эксплуатационных характеристик, в частности снижения пульсаций напряжения на нагрузке, а также  исключения необходимости принятия специальных мер для перемагничивания сердечников трансформаторов.
Технический результат обеспечивается тем, что в предлагаемом изобретении параллельно соединенным последовательно первым первичным обмоткам первого и второго трансформаторов подключена цепочка из последовательно соединенных промежуточного конденсатора и шунтирующего диода. При размыкании полупроводникового ключа в цепи, состоящей из последовательно соединенных первых первичных обмоток трансформаторов, промежуточного конденсатора и шунтирующего диода протекает ток, который поддерживается в том числе энергией, запасенной в индуктивностях рассеяния первых первичных обмоток первого и второго трансформаторов. При этом конденсатор накапливает эту энергию, и напряжение на нем возрастает. С целью повышения КПД преобразователя за счет полезного использования запасенной в конденсаторе энергии, в схему дополнительно введены соединенные последовательно вторые первичные обмотки первого и второго трансформаторов. Посредством этих обмоток энергия, накопленная в конденсаторе, частично передается на вторичную сторону в нагрузку, а частично рекуперируется в первичный источник постоянного напряжения. Кроме того, шунтирующий диод обеспечивает на этапе паузы (при разомкнутом состоянии полупроводникового ключа) возвращение сердечников трансформаторов в исходное магнитное состояние без перенапряжений на ключе. Снижению пульсаций напряжения на нагрузке будут способствовать, во-первых, двойная частота импульсов энергии, подзаряжающих фильтровой выходной конденсатор, по сравнению с частотой управления полупроводникового ключа и, во-вторых, повышенная интенсивность этих импульсов, поступающих на вторичную сторону в нагрузку как на этапе замкнутого, так и на этапе разомкнутого состояния полупроводникового ключа от первых и вторых первичных обмоток первого и второго трансформаторов.
На фиг. 1 представлена электрическая схема заявляемого однотактного прямо–обратноходового преобразователя постоянного напряжения в постоянное. Схема на фиг.1 содержит источник постоянного напряжения 1, полупроводниковый ключ 2, отрицательный электрод которого соединен с отрицательной клеммой источника 1, первый 3 и второй 4 трансформаторы, первые первичные обмотки 5 и 6 которых соединены последовательно, два вывода вторичных 7 и 8 обмоток обоих трансформаторов объединены и подключены к отрицательной обкладке фильтрового выходного конденсатора 11, подключенного параллельно нагрузке 17, а к двум другим выводам каждой вторичной обмотки 7 и 8 обоих трансформаторов 3 и 4 подключены аноды двух выпрямительных диодов 9 и 10, катоды которых объединены. Схема также содержит промежуточный конденсатор 14 и шунтирующий диод 15, а первый 3 и второй 4 трансформаторы имеют вторые первичные обмотки 12 и 13, соединенные последовательно, первые первичные обмотки 5 и 6 соединены встречно так, что объединены концы их обмоток, причем начало первой первичной обмотки 5 первого трансформатора 3 соединено с положительной клеммой источника питания 1, а начало первой первичной обмотки 6 второго трансформатора 4 соединено с положительным электродом полупроводникового ключа 2, у вторичных обмоток 7 и 8 первого 3 и второго 4 трансформаторов объединены концы обмоток, а катоды выпрямительных диодов 9 и 10 подключены к положительной обкладке выходного фильтрового конденсатора 11, вторые первичные обмотки 12 и 13 соединены встречно так, что объединены концы их обмоток, при этом начало второй первичной обмотки 12 первого трансформатора 3 подключено к отрицательной клемме источника постоянного напряжения 1, а начало второй первичной обмотки 13 второго трансформатора 4 соединено с анодом шунтирующего диода 15, катод которого соединен с положительной клеммой источника постоянного напряжения 1, одна обкладка промежуточного конденсатора 14 подключена к аноду шунтирующего диода 15, а другая – к положительному электроду полупроводникового ключа 2, открытое и закрытое состояния которого задаются независимым устройством управления 16. В качестве полупроводникового ключа 2, как правило, используются транзисторы.
Схема однотактного прямо-обратноходового преобразователя постоянного напряжения в постоянное работает следующим образом. Промежуточный конденсатор 14 до начала работы схемы изначально заряжен до напряжения источника питания 1 в полярности, указанной на рисунке, по цепи, включающей источник питания 1, первые первичные обмотки 5 и 6, конденсатор 14, вторые первичные обмотки 12 и 13. Работу схемы будем рассматривать в установившемся режиме на каждом из двух этапов периода работы ключа: на этапе импульса (полупроводниковый ключ 2 замкнут) и на этапе паузы (полупроводниковый ключ 2 разомкнут).
На этапе импульса устройство управления 16 открывает транзистор, выполняющий функцию полупроводникового ключа 2. При этом течет ток по контуру: «плюс» источника питания 1, обмотки 5 и 6, замкнутый ключ 2, «минус» источника питания 1. Полярность напряжения на обмотке 5 трансформатора 3 такова («плюс» на начале обмотки), что открывается диод 9 и первый трансформатор 3 передает энергию на вторичную сторону в нагрузку 17 с параллельно включенным выходным фильтровым конденсатором 11. Этот процесс характеризует работу прямоходового преобразователя [1, 2]. Обмотка 6 второго трансформатора 4 имеет полярность («минус» на начале обмотки), при которой диод 10 заперт, и идет накопление энергии в индуктивности обмотки 6. Этот процесс характеризует работу обратноходового преобразователя. Одновременно на этом же этапе работы происходит бросок разрядного тока конденсатора 14 в контуре: «плюс» конденсатора 14, замкнутый ключ 2, обмотки 12 и 13, «минус» конденсатора 14. Этот процесс возможен, так как напряжение на конденсаторе 14 к моменту замыкания ключа 2 превышало напряжение источника питания 1 на некоторую величину ΔU, до которой он подзарядился на этапе паузы предыдущего цикла работы. При этом полярность на второй первичной обмотке 12 первого трансформатора 3 такова («плюс» на начале обмотки), что энергия посредством диода 9 передается на вторичную сторону в нагрузку. Полярность на обмотке 13 второго трансформатора 4 имеет полярность («минус» на начале обмотки), при которой диод 10 заперт, и идет накопление энергии в индуктивности обмотки 13. Таким образом, процессы, связанные с работой первых и вторых первичных обмоток первого и второго трансформаторов, идентичны.
На этапе паузы устройство управления 16 закрывает транзистор, выполняющий функцию полупроводникового ключа 2. При этом по обмоткам 5 и 6 продолжает протекать ток, поддерживаемый энергией, накопленной в индуктивности обмотки 6, а также в индуктивностях рассеяния обмоток 5 и 6. Этот ток замыкается в контуре: обмотки 5 и 6, конденсатор 14, диод 15. При этом часть энергии идет на подзарядку конденсатора 14 на величину ΔU. Полярность напряжения на обмотке 6 такова («плюс» на начале обмотки), что открывается диод 10, и часть энергии, запасенной в индуктивности обмотки 6, передается на вторичную сторону в нагрузку посредством диода 10. В это же время восстанавливается исходное магнитное состояние сердечников трансформаторов. Одновременно на этом же этапе работы по обмоткам 12 и 13 продолжает протекать ток, поддерживаемый энергией, накопленной в индуктивности обмотки 13, а также в индуктивностях рассеяния обмоток 12 и 13. Этот ток замыкается в контуре: обмотки 12 и 13, конденсатор 14, обмотки 6 и 5, источник питания 1. При этом полярность напряжения на обмотке 13 такова («плюс» на начале обмотки), что часть энергии посредством диода 10 передается на вторичную сторону в нагрузку, а часть рекуперируется в источник питания 1.
При необходимости заземления источника питания и нагрузки такое заземление может быть выполнено, при необходимости наличия гальванической развязки схема может работать без заземления.
Так как первый и второй трансформаторы попеременно работают либо в режиме трансформатора, либо дросселя, с целью обеспечения требуемых расчетных значений индуктивностей обмоток магнитопроводы трансформаторов могут быть выполнены с немагнитными сосредоточенными либо распределенными зазорами.
Величина выходного напряжения преобразователя определяется коэффициентом трансформации и отношением длительности импульса к периоду работы полупроводникового ключа и может быть ниже либо выше напряжения источника питания.
Были проведены экспериментальные исследования лабораторного макета устройства и компьютерное моделирование в программе PSpice, которые подтвердили работоспособность и целесообразность широкого промышленного использования данного устройства. При этом был изготовлен и успешно испытан опытный макетный образец предлагаемого устройства, выполненный в виде законченного узла.
По мнению авторов, предлагаемый однотактный прямо-обратноходовой преобразователь постоянного напряжения в постоянное может быть использован в качестве надежного источника вторичного электропитания с регулируемым или стабилизированным выходным напряжением, с низким уровнем пульсаций и повышенным коэффициентом полезного действия для питания нагрузок постоянного тока при наличии первичных автономных или общесетевых источников постоянного либо переменного тока  как в устройствах наземного оборудования, так и на подвижных объектах, включая авиационно-космическую технику, а совокупность его существенных признаков необходима и достаточна для достижения заявляемого технического результата.
Источники информации
1.  Р. Севернс, Г. Блум.  Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания: Перевод с англ. под ред. Л. Е. Смольникова. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 294 с.
2. С.В. Аверин, Д.А. Шевцов. Повышение эффективности однотактных преобразователей постоянного напряжения. В сб. Вопросы инновационного развития аэрокосмического комплекса России. Материалы первой общероссийской научно-практической конференции. – М.: Изд-во «Доброе слово», 2018. – 248 с.
3. Han Sang Kyoo, Ryu Byoung Woo. Single Stage Forward-Flyback Converter and Power Supply Apparatus for Light Emitting Diode. Патент US 2014184093 (A1) от 28.12.2012г.
4. Han Sang Kyoo, Hwang Min Ha. Single Stage Forward-Flyback Converter and Power Supply Apparatus. Патент    US 2014035485 (А1) от 03.08.2012г.
5. Lin Ray-Lee, Huang Yu-Ha. Forward-flyback converter with lossless snubber circuit.  Патент   TW 201119201 (А) от 26.11.2009г.
6. Y. Kang, B. Choi, W. Lim Analysis and design of a forward-flyback converter employing two transformers. Conference Paper in PESC Record - IEEE Annual Power Electronics Specialists Conference · February 2001, pp. 357-362. DOI: 10.1109/PESC.2001.954046 · Source: IEEE Xplore. (Прототип).