ДВУХКАСКАДНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА В ПОСТОЯННЫЙ

Предлагаемая полезная модель относится к области электротехники и преобразовательной техники и может быть использована для обеспечения потребителей электроэнергией постоянного тока с необходимым уровнем и стабильностью напряжения, например, при питании их от нетрадиционных источников электроэнергии в виде солнечных батарей, термоэлектрических генераторов и пр., в том числе имеющих значительное внутреннее сопротивление.
Известно устройство для преобразования постоянного тока, содержащее первую и вторую индуктивности, диод, первый и второй конденсаторы, систему управления полупроводниковым ключом, полупроводниковый ключ. Причем, первый электрод ключа подключен к первому выводу первой индуктивности и к первому электроду диода, второй электрод ключа подключен к первому выходу источника питания и к первым выводам первого и второго конденсаторов, а между вторым и третьим электродами ключа подключена его система управления; второй вывод первой индуктивности подключен ко второму выходу источника питания, второй электрод диода подключен ко второму выводу первого конденсатора и к первому выводу второй индуктивности, второй вывод которой подключен ко второму выводу второго конденсатора. (Электрические и электронные аппараты. Учебник для ВУЗов. Под редакцией Розанова Ю.К. - Москва. Энергоатомиздат. 1988. С.609).
Недостатком устройства является невысокий коэффициент полезного действия из-за повышенной пульсации входного тока.
Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности является устройство для преобразования постоянного тока в постоянный, 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. (Патент на полезную модель
№54472 Антонов Б.М., Баранов Н.Н., Розанов Ю.К., Соломатин А.В.)
Недостатком устройства является 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.
Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, заключается в устранении указанных недостатков, а именно в снижении пульсаций входного тока устройства и повышении кратности напряжения на нагрузке по отношению к напряжению источника питания.
Поставленная техническая задача решается тем, что в устройство для преобразования постоянного тока в постоянный, содержащее первую и вторую магнитно-связанные индуктивности, первый, второй и третий конденсаторы, диод, систему управления ключом, полупроводниковый ключ, первый электрод которого подключен к первому входу от источника питания, а между первым и вторым электродами ключа включена система управления, первый вывод первой индуктивности подключен ко второму входу источника питания, первый вывод второй индуктивности подключен к катоду 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, дополнительно введены второй диод, третья индуктивность и четвертый конденсатор, при этом второй вывод первой индуктивности подключен к аноду второго диода, первому выводу третьей индуктивности и к первому выводу третьего конденсатора, второй вывод которого присоединен к первому электроду ключа, третий электрод которого подключен ко второму выводу третьей индуктивности и к первому выводу четвертого конденсатора, второй вывод которого подключен к аноду первого диода и к катоду второго диода.
Физическая сущность предлагаемой полезной модели заключается в формировании двухкаскадной структуры преобразовательного устройства, в которой первый каскад выполняет роль фильтра, снижающего пульсацию тока источника, в то же время являясь вольтодобавочным звеном, а второй каскад, накапливая энергию от первого каскада в реактивных элементах, подключаемых к первому каскаду, передает энергию в нагрузку при последовательном включении этих каскадов, что повышает кратность выходного напряжения по отношению к входному.
На фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема устройства. Устройство содержит первую индуктивность 1, вторую индуктивность 2, магнитно-связанную с
первой и третью индуктивность 3, первый диод 4, второй диод 5, первый конденсатор 6, второй конденсатор 7, третий конденсатор 8 и четвертый конденсатор 9, полупроводниковый ключ 10 с системой управления 11. При этом электрод 12 ключа 10 присоединен ко входу 13 от 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 9, вывод 18 которого подключен к точке соединения катода 19 диода 5 с анодом 20 диода 4. Анод 21 диода 5 подключен к выводу 22 индуктивности 3, выводу 23 конденсатора 8 и выводу 24 индуктивности 1, вывод 25 которой подключен к входу 26 от источника питания. Вывод 27 от конденсатора 8 подключен к входу 13 от источника питания. Катод 28 диода 4 подключен к выводу 29 индуктивности 2 и к выводу 30 конденсатора 6, вывод 31 которого присоединен к выводу 32 конденсатора 7 и к входу 13 от источника питания, вывод 33 конденсатора 7 подключен к выводу 34 индуктивности 2.
Устройство работает следующим образом.
В установившемся режиме при включенном ключе 10 проходит цикл заряда энергией реактивных элементов устройства от источника питания, а при выключенном ключе 10 происходит разряд этих элементов на нагрузку.
На диаграмме фиг.2 показано как формируется процесс передачи энергии от источника питания в нагрузку и прослеживается режим работы каждого элемента устройства.
В момент t1 включения ключа 10 на нем резко снижается напряжение (кривая Uкл10) до уровня падения напряжения от токов заряда конденсатора 9 и индуктивности 3. До момента t2 происходит импульсный заряд конденсатора 9 до уровня напряжения на конденсаторе 8. Далее его напряжение увеличивается вместе с напряжением на конденсаторе 8 (кривая UD т.20) под действием тока индуктивности 1, имеющим достаточно постоянную величину на протяжении всего процесса. Рост напряжения на конденсаторах 8 и 9 продолжается до максимума в t3. Далее напряжение на конденсаторе 8 начинает уменьшаться (кривая UC6), т.к. нарастающий ток индуктивности 3 становится больше тока индуктивности 1 и эта разность токов разряжает конденсатор 8. Напряжение на конденсаторе 9 остается неизменным на интервале t3-t4, т.к. диод 5 препятствует разряду конденсатора 9 на индуктивность 3, а напряжение на конденсаторе 7 всегда выше, чем на конденсаторе 9.
Расчетные кривые на диаграммах фиг.2 получены при напряжении источника питания равном 12 В. По кривой UC6 видно, что напряжение на конденсаторе 8 практически в 2 раза выше напряжения источника питания. Повышенный уровень напряжения на
конденсаторе 8 позволяет увеличить уровень запасенной электромагнитной энергии в индуктивности 3 и конденсаторе 9, которые включены в цепь заряда на интервале времени t1-t4 параллельно.
В момент времени t4 ключ 10 выключается. При этом конденсатор 8, дроссель 3, и конденсатор 9 оказываются включенными последовательно. Напряжения этих элементов складываются и в первый момент суммарное напряжение равно напряжению на конденсаторе 7. Далее по мере разряда энергии дросселя 3 в последовательной цепи напряжение на конденсаторе 7 (кривая UC8) увеличивается, при этом конденсатор 9 перезаряжается током дросселя 3. Часть энергии в этом процессе передается в нагрузку. После очередного включения ключа 10 в момент t5 напряжение нагрузки поддерживается за счет энергии конденсатора 8 и напряжение на нем снижается. Фильтрация напряжения нагрузки обеспечивается конденсатором 7 и индуктивностью 2.
Можно отметить, что в процессе работы первый каскад обеспечивает повышенной энергией второй каскад. Кроме того, подбирая соответствующим образом, параметры элементов, соединенных параллельно в период включенного состояния ключа, можно приблизить режим контура к резонансу токов, что позволит снизить пульсацию тока на входе устройства. При выключенном состоянии ключа режим контура последовательно включенных элементов можно приблизить к резонансу напряжений, что позволит при соответствующем управлении получить дополнительное повышение напряжение на выходе устройства.
Таким образом, по сравнению с прототипом, предлагаемое устройство позволяет повысить выходное напряжение по отношению к входному при снижении пульсации тока источника питания.
На фиг.3 и фиг4. приведены кривые входного тока IL1 и выходного напряжения, полученные в результате расчета на компьютере с помощью программы Micro-Cap V двух моделей: прототипа и предлагаемого устройства. Кривые с индексом "а" относятся к прототипу, кривые с индексом "б" - к предлагаемому устройству. Расчет проводился при условии равенства параметров элементов, общих для этих устройств а также одинаковых частотах и скважности работы ключа. Одинаковыми были также входное напряжение (12 В) и величина нагрузочного сопротивления (в режиме на фиг.3 Rн=20 Oм, в режиме на фиг.4 Rн=40 Oм). Для большей наглядности использована пониженная частота - 800 Гц.
Сравнивая полученные при расчете значения коэффициента пульсации входного тока (Кп) и коэффициента кратности выходного напряжения по отношению к входному (Кu) для прототипа и предлагаемого устройства, можно отметить следующее. Новое устройство при равных условиях нагружения и управления позволяет получить
напряжение на нагрузке в 1.5-2 раза выше, чем у прототипа при снижении пульсации входного тока в 5-20 раз. При повышении рабочей частоты тенденция к повышению Ku и снижению Кп у предлагаемой полезной модели по отношению к прототипу сохраняются.