ИМПУЛЬСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
IMPULSE DC VOLTAGE CONVERTER

Изобретение относится к области электроники и может быть использовано в источниках питания на основе импульсных преобразователей.
Известен обратноходовый импульсный преобразователь (Раймонд Мэк «Импульсные источники питания. Теоретические основы проектирования и руководство по практическому применению». М.: Додэка-XXI, 2008 г.), функциональная схема которого проиллюстрирована на фиг. 2.
На фиг. 2 поз. 1 - источник постоянного напряжения, поз. 2 - дроссель с двумя обмотками (обратноходовый импульсный трансформатор), поз. 3 - ключ. Под ключом подразумевается устройство, замыкающее и размыкающее контакты при электронном управлении, чаще всего полевой транзистор. Во время прямого хода, при замкнутом состоянии ключа, в дросселе происходит накопление энергии, ток в первичной обмотке поз. 2.1 нарастает. Диод (поз. 4) во время прямого хода заперт, так как приложенное к нему со вторичной обмотки 2.2 трансформированное напряжение имеет обратную полярность. При размыкании ключа ток в первичной обмотке начинает уменьшаться. Уменьшение тока в первичной обмотке приводит к изменению полярности напряжения на вторичной обмотке, диод поз. 4 открывается, происходит вывод накопленной в дросселе энергии в нагрузку поз. 5 и конденсатор поз. 6.
Недостатками известного решения является ограничение по мощности энергией, которую способен накопить дроссель. Для увеличения энергии, накапливаемой дросселем, необходимо увеличивать его габариты, поэтому еще одним недостатком известного решения являются большие габариты. Кроме того, во время обратного хода напряжение на закрытом ключе возрастает на величину, равную выходному напряжению, умноженному на коэффициент трансформации, таким образом, еще одним недостатком известного решения является высокое напряжение на ключе.
Известен прямоходовый импульсный преобразователь (Раймонд Мэк «Импульсные источники питания. Теоретические основы проектирования и руководство по практическому применению». М.: Додэка-XXI, 2008 г.), функциональная схема которого проиллюстрирована на фиг. 3. Во время прямого хода, при замкнутом состоянии ключа, ток течет как в первичной, так и во вторичной обмотке трансформатора (поз. 2.3) через открытый диод поз. 8. Во время прямого хода происходит накопление энергии в индуктивности поз. 10, питающей нагрузку во время обратного хода через открытый диод поз. 9. Во время обратного хода, после запирания ключа, энергия, накопленная в сердечнике трансформатора, выводится благодаря току в обмотке размагничивания (защитной обмотке) поз. 2.4 через открытый диод поз. 7.
Недостатками известного решения является наличие обмотки размагничивания, что усложняет конструкцию импульсного трансформатора и приводит к увеличению стоимости преобразователя. Кроме того, во время обратного хода на ключе появляется высокое напряжение из-за тока в обмотке размагничивания 2.4, таким образом, еще одним недостатком известного решения является высокое напряжение на ключе.
Прототипом первого изобретения группы, в части способа является способ импульсного преобразования напряжения, реализованный в устройстве «Однотактный преобразователь постоянного напряжения» (Описание изобретения к пат. RU 2352050 C2, опубл. 10.04.2009), как наиболее близкий по технической сущности.
Известное устройство (Фиг. 4) представляет собой прямоходовый импульсный преобразователь со вторичной обмоткой 2.3 импульсного трансформатора поз. 2. Энергия, накопленная в сердечнике импульсного трансформатора, выводится в нагрузку во время обратного хода с обмотки поз. 2.2 через открытый диод поз. 4. Известное устройство можно рассматривать как прямоходовый и обратноходовый преобразователи с общим ключом и общей нагрузкой. Таким образом, в известном устройстве реализован способ импульсного преобразования постоянного напряжения, заключающийся в трансформации энергии в выходную цепь в прямом ходе через обмотку прямого хода и выводе накопленной в сердечнике импульсного трансформатора энергии в выходную цепь в обратном ходе через обмотку обратного хода. Выходы схем прямого и обратного хода соединены параллельно, а их общей нагрузкой является выходная цепь. Так как часть энергии трансформируется во вторичную цепь в прямом ходе, уменьшается необходимость в накоплении энергии в сердечнике импульсного трансформатора, что снижает его габариты по сравнению с устройством, проиллюстрированным на фиг. 2.
Недостатком известного способа при его реализации является обязательное наличие дополнительной обмотки размагничивания (поз. 2.2) у импульсного трансформатора. Кроме того, напряжение на ключе во время обратного хода всегда будет выше входного напряжения на величину выходного напряжения, умноженного на коэффициент трансформации обмотки размагничивания, что приводит к применению ключей с высоким рабочим напряжением и в итоге к удорожанию устройств, реализующих способ.
Задача, решаемая первым изобретением группы, в части способа, заключаются в создании условий для трансформации энергии во время прямого хода и вывода энергии, накопленной в сердечнике импульсного трансформатора в выходную цепь во время обратного хода с использованием одной вторичной обмотки импульсного трансформатора и снижении влияние выходного напряжения на напряжение ключа во время обратного хода.
Достигаемый технический результат заключается в возможности создания недорогих малогабаритных импульсных преобразователей благодаря уменьшению размеров и упрощении конструкции импульсных трансформаторов, применению ключей с меньшим максимальным рабочим напряжением. В качестве ключа во многих импульсных преобразователях используются полевые транзисторы, у которых сопротивление открытого состояния прямо пропорционально максимальному рабочему напряжению. Возможность применения ключей с меньшим рабочим напряжением позволяет уменьшить потери на сопротивлении открытого ключа. Таким образом, еще одним достигаемым техническим результатом является снижение потерь и повышение коэффициента полезного действия импульсных преобразователей.
Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата, в первом изобретении группы - способе импульсного преобразователя постоянного напряжения, заключающегося в трансформации энергии источника постоянного напряжения в выходную цепь в прямом ходе и выводе накопленной в сердечнике импульсного трансформатора энергии в выходную цепь в обратном ходе, трансформацию и вывод энергии осуществляют через одну вторичную обмотку импульсного трансформатора, трансформируемую и выведенную энергию накапливают раздельно в реактивных элементах емкостного характера, а напряжение в выходной цепи равно сумме напряжений на реактивных элементах емкостного характера.
Прототипом второго изобретения группы, в части устройства, также является «Однотактный преобразователь постоянного напряжения» (описание изобретения к патенту RU 2352050 C2, опубл. 10.04.2009), как наиболее близкий по технической сущности.
Известное устройство представляет собой прямо-обратноходовый импульсный преобразователь (Фиг. 4). Во время прямого хода напряжение на обмотке поз. 2.3 приводит к появлению тока через открытый диод поз. 8, что приводит к нарастанию тока в нагрузке и накоплению энергии в дросселе поз. 10. Во время обратного хода ток в нагрузке поддерживается благодаря накопленной в дросселе поз. 10 энергии, диод поз. 9 замыкает цепь. Кроме того, во время обратного хода напряжение на обмотке 2.2 приводит к появлению тока в нагрузке через открытый диод поз. 4.
Недостатком известного устройства является наличие двух вторичных обмоток, что усложняет и удорожает импульсный трансформатор. Кроме того, напряжение на ключе (поз. 3 фиг. 4) во время обратного хода всегда будет выше входного напряжения на величину выходного напряжения, умноженного на коэффициент трансформации обмотки поз. 2.2, что приводит к применению ключей с высоким рабочим напряжением и в итоге - к удорожанию устройства.
Задача, решаемая вторым изобретением группы, и достигаемый технический результат заключаются в создании устройства - импульсного преобразователя, в котором осуществляется трансформация энергии в выходную цепь во время прямого хода и вывод энергии, накопленной в сердечнике импульсного трансформатора в выходную цепь во время обратного хода с использованием одной вторичной обмоткой импульсного трансформатора, а также снижении напряжения на ключе.
Достигаемый технический результат заключается в разработке импульсного преобразователя с меньшими размерами и стоимостью импульсного трансформатора, чем у аналогичных по мощности импульсных преобразователей. Кроме того, достигаемый технический результат заключается в применении ключей с более низким, чем у аналогичных по мощности импульсных преобразователей рабочим напряжением и стоимостью.
Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата, в импульсном преобразователе постоянного напряжения, включающем ключ, импульсный трансформатор, диод прямого хода, анод которого подключен к первому выводу вторичной обмотки импульсного трансформатора, замыкающий диод, катод которого подключен к катоду диода прямого хода, а анод – ко второму выводу вторичной обмотки импульсного трансформатора, дроссель прямого хода, первый вывод которого подключен к катодам диода прямого хода и замыкающего диода, и диод обратного хода, импульсный трансформатор имеет одну вторичную обмотку, второй вывод дросселя прямого хода подключен к первому выводу накопительного конденсатора прямого хода, второй вывод накопительного конденсатора прямого хода подключен ко второму выводу вторичной обмотки импульсного трансформатора и аноду замыкающего диода, катод диода обратного хода подключен к аноду диода прямого хода и к первому выводу вторичной обмотки импульсного трансформатора, анод диода обратного хода подключен к первому выводу накопительного конденсатора обратного хода, второй вывод накопительного конденсатора обратного хода подключен ко второму выводу накопительного конденсатора прямого хода, положительный вывод нагрузки подключен к первому выводу накопительного конденсатора прямого хода, а отрицательный вывод нагрузки подключен к первому выводу накопительного конденсатора обратного хода;
кроме этого:
- параллельно нагрузке подключен конденсатор;
- нагрузка подключена к накопительным конденсаторам через дроссель.
Сущность изобретений поясняется чертежами, на которых изображено:
На фиг. 1 - функциональная схема, иллюстрирующая изобретения.
На фиг. 2 - обратноходовый импульсный преобразователь.
На фиг. 3 - прямоходовый импульсный преобразователь.
На фиг. 4 - импульсный преобразователь по патенту RU 2352050 C2.
На фиг. 5 - измененная схема известного драйвера для демонстрации промышленной применимости изобретений.
На фиг. 6 - осциллограмма тока во вторичной обмотке до изменения схемы.
На фиг. 7 - осциллограмма тока во вторичной обмотке после изменения схемы.
На фиг. 8 - осциллограмма напряжения на ключе до изменения схемы.
На фиг. 9- осциллограмма напряжения на ключе после изменения схемы.
Оба изобретения группы иллюстрируется функциональной схемой фиг. 1. Работа устройства происходит следующим образом: во время прямого хода, при замкнутом ключе, ток в первичной обмотке поз. 2.1 (фиг. 1) импульсного трансформатора поз. 2 нарастает, что приводит к появлению трансформированного напряжения во вторичной обмотке (поз. 2.3) и накоплению энергии в сердечнике импульсного трансформатора. Напряжение во вторичной обмотке вызывает появление тока через открытый диод прямого хода поз. 8, который приводит к накоплению энергии в дросселе прямого хода поз. 10 и заряду накопительного конденсатора прямого хода поз. 11. Во время обратного хода, после размыкания ключа, ток в первичной обмотке уменьшается, что приводит к изменению полярности напряжения на вторичной обмотке импульсного трансформатора, диод прямого хода поз. 8 закрывается, энергия, накопленная в дросселе прямого хода поз. 10, поддерживает ток, заряжающий накопительный конденсатор прямого хода поз. 11, замыкающий диод поз. 9 замыкает цепь. Изменение полярности напряжения во вторичной обмотке вызывает появление тока через открытый диод обратного хода поз. 4, который заряжает накопительный конденсатор обратного хода поз. 12. Ток во вторичной обмотке во время обратного хода поддерживается энергией, накопленной в сердечнике импульсного трансформатора 2. Полярности напряжений на накопительных конденсаторах поз. 11-12 обозначены на фиг. 1 знаками «+» и «-». Нагрузка подключается к последовательно соединенным накопительным конденсаторам, напряжение на нагрузке определяется суммой напряжений на накопительных конденсаторах. Напряжение на ключе во время обратного хода выше входного напряжения на величину напряжения на накопительном конденсаторе обратного хода поз. 12, умноженную на коэффициент трансформации обмотки 2.3. Так как напряжение на накопительном конденсаторе обратного хода меньше напряжения на нагрузке, то и напряжение на ключе во время обратного хода меньше, чем в прототипе или устройствах, проиллюстрированных на фиг. 2-3.
Таким образом, в части способа, трансформация энергии источника постоянного напряжения в выходную цепь во время прямого хода и вывод накопленной в сердечнике импульсного трансформатора энергии в выходную цепь во время обратного хода осуществляются через одну обмотку. Энергия, трансформируемая в прямом ходе, и энергия, выведенная в обратном ходе, накапливаются раздельно в реактивных элементах емкостного характера, а напряжение в выходной цепи определяется суммой напряжений на реактивных элементах емкостного характера. Напряжение на ключе во время обратного хода уменьшается по сравнению с прототипом.
В соответствии с п. 3 формулы изобретения параллельно нагрузке может быть подключен фильтрующий конденсатор. Накопительные конденсаторы прямого и обратного хода могут иметь небольшие емкости, достаточные для накопления энергии, поступающей в них во время прямого или обратного хода. Емкость накопительных конденсаторов должна удовлетворять условию
где P - мощность схем прямого или обратного хода, V - напряжение на накопительном конденсаторе, F - максимальная рабочая частота импульсного преобразователя. Например, для импульсных преобразователей мощностью 100-200 ватт необходимая емкость составляет единицы микрофарад, в то же время через них протекают высокие импульсные токи, поэтому в качестве накопительных конденсаторов целесообразно использовать керамические или пленочные конденсаторы, некритичные к импульсным токам. При нестабильности входного напряжения суммарной емкости последовательно соединенных накопительных конденсаторов может не хватить для сглаживания колебаний напряжения на нагрузке, для этой цели может быть применен дополнительный фильтр в виде конденсатора большой емкости, подключенного параллельно нагрузке - поз. 6 на фиг. 1, обычно это электролитические конденсаторы. Ресурс электролитических конденсаторов снижается при протекании через них импульсных токов, для подавление импульсных токов через конденсатор, шунтирующий нагрузку (поз. 6 на фиг. 1) может быть применен дополнительный фильтрующий дроссель - поз. 13 на фиг. 1 (п. 4 формулы изобретения).
Промышленная применимость заявленных способа и устройства проверены при изменении части схемы импульсного преобразователя известного драйвера светодиодов ИПП-220Т035С106Н21 (http://www.mmp-irbis.ru/katalog/LED_drivers/model_%C0220%D2035%D1106%CD21.php - информация с сайта компании) с целью приведения его алгоритма работы в соответствие с п. 1 формулы изобретения в части способа. Фиг. 5 иллюстрирует фрагмент схемы известного драйвера ИПП-220Т035С106Н21 с добавленными электронными компонентами. Добавленные в схему элементы обведены пунктиром. Емкость накопительных конденсаторов поз. 11-12 равнялась 1 мкФ, индуктивность дросселя поз. 10 равнялась 1 мГн. Резистор поз. 14 установлен до переделки драйвера и предназначен для измерения тока в цепи вторичной обмотки. Драйвер подключался к нагрузке из 36 последовательно соединенных светодиодов с падением напряжения на каждом 3 вольт. Ток на выходе драйвера до и после переделки составлял 0.35 А, таким образом, выходная мощность драйвера не зависела от переделки и составляла 37.8 Вт.
Осциллограмма фиг. 6 иллюстрирует ток во вторичной обмотке (напряжение на резисторе поз. 14) до переделки драйвера, осциллограмма фиг. 7 иллюстрирует ток во вторичной обмотке после переделки. Отрицательный импульс поз. 15 на фиг. 7 свидетельствует о появлении тока во вторичной обмотке во время прямого хода после переделки драйвера, таким образом, во время прямого хода происходит трансформация энергии в выходную цепь. Фиг. 8 иллюстрирует напряжение на ключевом транзисторе (поз. 3 фиг. 5) до переделки драйвера, фиг. 9 после переделки. Напряжение на ключевом транзисторе после переделки драйвера уменьшилось на 88 вольт, с 576 до 488 вольт. Температура сердечника импульсного трансформатора драйвера после переделки уменьшилась с 54 до 48 градусов, что объясняется уменьшением количества энергии, которую необходимо в нем накопить, так как часть энергии поступает в нагрузку благодаря трансформации.