ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА В ПОСТОЯННЫЙ ТОК

Предлагаемая полезная модель относится к области электротехники, преобразовательной техники и электроники и может быть использована для питания потребителей электроэнергии постоянного тока, требующих большого диапазона изменения уровня питающего напряжения по отношению к уровню напряжения источника питания или для питания разветвленной сети потребителей с требованием селективного отключения аварийной нагрузки. При этом в качестве источника питания могут служить солнечная батарея, электрохимический генератор или другой нетрадиционный источник электроэнергии, в том числе с большим внутренним сопротивлением.
Известно устройство для преобразования постоянного тока в постоянный ток с возможностью повышения и понижения уровня выходного напряжения по отношению к напряжению источника питания, содержащее первую и вторую индуктивности, первый и второй диод, первый и второй полупроводниковые ключи с первой и второй системой управления, первый и второй конденсаторы. Причем, первый вывод первой индуктивности подключен к первому входу от источника питания, а второй вывод первой индуктивности подключен к аноду первого диода и к первому электроду первого ключа, второй электрод которого подключен ко второму входу от источника питания, а между вторым и третьим электродами первого ключа включена первая система управления. Катод первого диода соединен с первым электродом второго ключа и с первым выводом первого конденсатора, второй вывод которого подключен к первому входу от источника питания и к аноду второго диода, катод которого соединен с первым выводом второй индуктивности и со вторым электродом второго ключа, между вторым и третьим электродами которого включена вторая система управления. Второй вывод второй индуктивности соединен с первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого подключен к аноду второго диода (Силовая электроника. Розанов Ю.К., Рябчинский М.В., Кваснюк А.А. - Учебник для ВУЗ'ов / М. Издательский дом МЭИ, 2007, с.329)
Недостатками этого устройства являются невысокий коэффициент полезного действия из-за повышенной пульсации входного тока и последовательного включения нескольких полупроводниковых приборов в силовой цепи, а также повышенная сложность электрической схемы.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической сущности является устройство для преобразования постоянного тока в постоянный, позволяющее понижать и повышать уровень выходного напряжения по отношению к напряжению источника питания, содержащее первую и вторую магнитно-связанные индуктивности, диод, первый и второй конденсаторы, полупроводниковый ключ и систему управления полупроводниковым ключом, в котором первый вывод первой индуктивности подключен к первому входу от источника питания, первый вывод второй индуктивности соединен с первым выводом первого конденсатора и с анодом диода, катод которого подключен к первому выводу второго конденсатора, второй вывод которого соединен со вторым выводом второй индуктивности, второй вывод первого конденсатора соединен со вторым выводом первой индуктивности и с первым электродом ключа, второй электрод которого соединен со вторым выводом от источника питания и с катодом диода, а между вторым и третьим электродами ключа включена его система управления (Электрические и электронные аппараты. Под редакцией Ю.К.Розанова. Учебник для ВУЗ'ов. - М., Энергоатомиздат.1998. С.609. Прототип).
Недостатком устройства является ограниченная возможность повышения уровня выходного напряжения преобразователя по отношению к входному напряжению, т.к. в нагрузку передается энергия, накопленная в конденсаторе связи контура нагрузки с контуром источника питания, за счет заряда его током от одного реактивного элемента - входной индуктивности. Кроме того, к.п.д. преобразователя снижается из-за того, что накопление энергии в его реактивных элементах осуществляется за счет токов, протекающих по полупроводниковым элементам, что вызывает дополнительные потери и снижает общий к.п.д. устройства. При этом наблюдается повышенная пульсация входного тока, особенно при работе с большой скважностью рабочего импульса.
Техническая задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, заключается в устранении этих недостатков, а именно в повышении кратности уровня выходного напряжения по отношению к уровню входного напряжения, в снижении пульсаций входного тока преобразователя, а также в повышении к.п.д. устройства.
Поставленная задача предлагаемой полезной моделью решается тем, что в преобразователь постоянного тока в постоянный, содержащий первую и вторую магнитно-связанные индуктивности, диод, первый и второй конденсаторы, полупроводниковый ключ и систему управления ключом, в котором первый вывод первой индуктивности подключен к первому входу от источника питания, первый вывод второй индуктивности соединен с первым выводом первого конденсатора и с анодом диода, катод которого подключен к первому выводу второго конденсатора, второй вывод второго конденсатора соединен со вторым выводом второй индуктивности, второй вывод первого конденсатора соединен с первым электродом ключа, второй электрод которого соединен со вторым входом от источника питания и с катодом диода, а между вторым и третьим электродами ключа включена его система управления, дополнительно введены третья индуктивность и третий конденсатор, при этом второй вывод первой индуктивности соединен с первым выводом третьей индуктивности и с первым выводом третьего конденсатора, второй вывод которого соединен со вторым входом от источника питания, второй вывод третьей индуктивности соединен со вторым выводом первого конденсатора и с первым электродом ключа.
Физическая сущность предлагаемой полезной модели заключается в накоплении дополнительной энергии во введенных в структуру преобразователя новых реактивных элементах, что способствует увеличению кратности уровня выходного напряжения по отношению к входному напряжению. В то же время эти элементы в новой структуре преобразователя выполняют роль дополнительного фильтра, снижая пульсацию входного тока. При этом накопление энергии в реактивных элементах преобразователя частично проходит за счет протекания тока в них, минуя полупроводниковые элементы, что снижает в них потери и повышает, соответственно, к.п.д. устройства.
На фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемой полезной модели.
Преобразователь постоянного тока в постоянный ток, схема которого приведена на фиг.1, содержит первую индуктивность 1, вторую индуктивность 2, магнитно-связанную с первой, первый конденсатор 3, диод 4, второй конденсатор 5, третий конденсатор 6, третью индуктивность 7, полупроводниковый ключ 8, систему управления 9 ключом 8. Причем, первый вывод 10 индуктивности 1 подключен к первому выводу 11 от источника питания, первый вывод 12 индуктивности 2 соединен с первым выводом 13 конденсатора 3 и с анодом 14 диода 4, катод 15 которого подключен к первому выводу 16 конденсатора 5, второй вывод 17 конденсатора 5 соединен со вторым выводом 18 индуктивности 2, второй вывод 19 конденсатора 3 соединен с первым электродом 20 ключа 8, второй вывод 21 индуктивности 1 соединен с первым выводом 22 индуктивности 7 и с первым выводом 23 конденсатора 6, второй вывод 24 которого соединен с со вторым входом 25 от источника питания, второй вывод 26 индуктивности 7 соединен со вторым выводом 19 конденсатора 3 и с электродом 20 ключа 8. Между электродом 27 и электродом 28 ключа 8 включена его система управления 9. Электрод 28 ключа 8 соединен со вторым входом от источника питания и с катодом 15 диода 4.
Процессы, протекающие в полезной модели, можно анализировать по кривым на диаграмме, представленной на фиг.2. Преобразователь постоянного тока в постоянный ток работает следующим образом.
В установившемся режиме при замкнутом ключе 8 происходит накопление энергии в индуктивностях 1 и 7 за счет увеличения тока в этих элементах от источника питания по контурам, которые легко проследить по структурной схеме преобразователя. При этом ток индуктивности 7 равен сумме токов индуктивности 1 и конденсатора 6, что следует из схемы на фиг.1. Соотношение этих токов можно оценить по замерам их величин на кривых графика №3 диаграммы. Так, ток IL7 индуктивности 7 в момент t1 перед размыканием ключа 8 (максимальное его значение) равен 19.97А (замер 4). Ток IC6 конденсатора 6 в этой точке режима равен 11 78А (замер 5), а ток IL1 индуктивности 1 равен 8.2А (замеры 3, 6).
В момент времени t1, определяемый сигналом системы управления 9, размыкается электронный ключ 8. С этого момента начинается зарядка конденсатора 3 по контуру: конденсатор 6 - индуктивность 7 - конденсатор 3 - диод 4 - конденсатор 6. В этом режиме ток конденсатора 3 равен току IL7 и, соответственно, сумме токов IС6+IC1. По кривой тока IL7 индуктивности 7 на графике №3 видно, что с момента времени t1 ток индуктивности 7 линейно спадает по мере расходования накопленной в ней энергии и достигает нуля в момент времени t2. Средний ток заряда конденсатора 3, с учетом его линейного характера, на интервале t1-t2 равен 10А (19.97/2~10). Если бы конденсатор 3 заряжался только током индуктивности 1 как в прототипе, равном в данном примере 8.2 А, то уровень энергии, передаваемой от источника питания через конденсатор 3 в нагрузку, был бы заметно меньше. Использование двух источников тока позволяет увеличить энергию, накапливаемую в конденсаторе 3 для передачи ее в контур нагрузки. Это дает возможность повысить уровень напряжения на выходе преобразователя по сравнению с прототипом.
На интервале времени t1-t2 выключенного состояния ключа 8 происходит понижение напряжения на конденсаторе 6 за счет его разряда на конденсатор 3 через индуктивность 7, что видно по кривой UC6 на графике №1. С момента t2 до момента t3 в индуктивности 7 проходит ток противоположного знака по контуру: конденсатор С6 - конденсатор С5 - индуктивность 2 - конденсатор 3 - индуктивность 7 - конденсатор 6. Величина его устанавливается на уровне тока нагрузки Iн, равного среднему значению тока IL2 индуктивности 2 (замеры 2 и 3 на графике №2). Этот ток повышает напряжение на конденсаторе 6 и снижает напряжение на конденсаторе 3.
На графике №1 по кривой UC3 напряжения на конденсаторе 3 видно изменение уровня переменной составляющей напряжения на конденсаторе в соответствие с направлением и уровнем тока IC3 (график №4). Среднее значение напряжения на конденсаторе 3 равно напряжению UC5 на нагрузке плюс среднее напряжение на конденсаторе С 6. Так, в данном расчете, на графике №1 значение UC5=61.4B (замер 4), среднее значение на конденсаторе UC6-11.9B, а среднее значение UC3=73.6B (замер 2), т.е. UC3~UC5+UC6 (при данной точности замеров).
Увеличение напряжения на конденсаторе 6 на интервале времени t2-t3 происходит за счет токов в контурах, в которых отсутствуют полупроводниковые элементы, что снижает общие потери в преобразователе. При этом, чем дольше ключ 8 находится в выключенном положении, тем дольше конденсатор 6 будет заряжаться без дополнительных потерь в полупроводниковых элементах, что позволяет повысить к.п.д. преобразователя.
2
Поддержание достаточно высокого напряжения на нагрузке (кривая UC5 на графике №1) особенно важно при работе с большой скважностью рабочего импульса тока от источника питания с повышенным внутренним сопротивлением. Повышение напряжения UC5 в таких режимах может быть достигнуто за счет уменьшения величины индуктивности 7. Действительно, энергия, накапливаемая в индуктивности пропорциональна произведению IL. Уменьшение величины индуктивности ведет к увеличению тока пропорционально квадрату кратности изменения величины индуктивности и, в итоге, к увеличению энергии, накопленной в индуктивности. Следовательно, сокращая время замкнутого состояния ключа, можно, тем не менее, получить необходимое высокое выходное напряжение преобразователя. Так решается задача повышения к.п.д. системы питания с обеспечением нагрузки напряжением необходимого уровня, в том числе от источника с повышенным внутренним сопротивлением.
Наличие в структурной схеме предлагаемой полезной модели конденсатора 6 позволяет существенно снизить уровень пульсации входного тока. Так, в диапазоне регулирования от значения коэффициента скважности Кскв=1.13 до Кскв=3 и изменения величины сопротивления нагрузки от 40 Ом до 400 Ом значение коэффициент пульсации Кп у преобразователя прототипа изменяется от Кп=0.001 (наилучшее значение при Кскв=1.13) до Кп=1.25 (наихудшее значение при Кскв=3), а у предлагаемой модели преобразователя - от Кп=0.0007 до Кп=0.02, соответственно. С увеличением скважности преимущество предлагаемого преобразователя увеличивается, что видно из значений приведенных коэффициентов Кп.
На фиг.3 представлены нагрузочные характеристики предлагаемой полезной модели - кривая U1, и прототипа - кривая U2. Кривые изменения уровня выходного напряжения преобразователей постоянного тока (ППТ) с изменением величины нагрузочного сопротивления построены для фиксированного значения коэффициента скважности Кскв. Данные для построения характеристик получены по результатам расчета моделей с помощью программы Micro-Cap 9 при одинаковых параметрах силовых элементов и одинаковых режимах работы. Сравнивая ход кривых, можно отметить, что выходное напряжение ППТ по схеме предлагаемой модели выше выходного напряжения модели прототипа в широком диапазоне изменения величины сопротивления нагрузки.
На фиг.4 представлены характеристики зависимости к.п.д. блока электропитания (БЭ), включающего источник электропитания (ИЭ) и ППТ, в зависимости от коэффициента скважности рабочего импульса. Характеристики построены при различных значениях внутреннего сопротивления (Rи) ИЭ для БЭ с ППТ предлагаемой модели и прототипа.
1
2
3
4
На фиг.4 кривые к.п.д. БЭ обозначены: при использовании предлагаемой модели ППТ - η при Rи=0.3 Ом; η при Rи=0.001 Ом; при использовании модели ППТ прототипа - η при Rи=0.001 Ом; η при Rи=0.3 Ом.
Анализ полученных результатов данного расчета показывает общую тенденцию повышения к.п.д. БЭ на участке повышения коэффициента скважности (Кскв) до его значения, равного 1.3. При малом Rи на участке режимов до значения Кскв=~1.7 к.п.д. БЭ с предлагаемой моделью ППТ несколько выше, чем к.п.д. БЭ с моделью ППТ прототипа. При увеличении Кскв это преимущество становится значительнее. При повышенном значении Rи наблюдается аналогичная картина.
На фиг.5 представлены сравнительные регулировочные характеристики ПИТ предлагаемой полезной модели (кривая U1) и прототипа (кривая U2). Анализ представленных кривых показывает, что при одинаковой величине сопротивления нагрузки (в данном примере Rн=400 м) и одинаковом уровне входного напряжения (Uвх=12В), напряжение на выходе ППТ предлагаемой полезной модели существенно выше, чем выходное напряжение у прототипа, во всем диапазоне регулирования. При этом преобразователь при увеличении коэффициента скважности обеспечивает ограничение тока перегрузки или аварии на уровне, необходимом для селективного срабатывания защиты у аварийного потребителя, без повреждения источника питания, как и в случае использования модели прототипа. Так, если отключить импульсы, управляющие ключом, в нагрузку полностью прекратится передача энергии от источника питания, что следует из структурной схемы преобразователя.
Электрические характеристики полупроводниковых преобразователей, представленные на графиках фиг.3-фиг.5 иллюстрируют преимущества предлагаемой полезной модели над прототипом в части более высокого к.п.д. и выходного напряжения предлагаемой модели. При этом подтверждается правильность физического обоснования полученных результатов.