ИЗОЛИРОВАННЫЙ ИСТОЧНИК ВТОРИЧНОГО ПИТАНИЯ С ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ПОДПИТКОЙ

Решение относится к электротехнике и может быть использовано для получения напряжения, необходимого для непосредственного питания электронных и других устройств.
Неизолированные источники питания имеют высокий кпд и просты в изготовлении, однако, гальванически связаны с промышленной сетью, что повышает требования к обеспечению электробезопасности и имеют высокое выходное напряжение. Обычная стандартная схема двухстадийного источника питания с изоляцией от сети может быть построена последовательным соединением изолированного корректора мощности и неизолированного второй ступени преобразования, или наоборот, первая ступень - корректор мощности (PFC) неизолированный, а вторая ступень преобразования - изолированная от сети. В обоих случаях обе ступени, как правило, рассчитываются на заданную мощность, а коэффициент эффективности источника питания (ИП) будет равен произведению коэффициентов эффективности (КЭ) первой и второй ступени, при этом, общий КЭ, как правило, не превышает 0,93, для источников средней мощности до 250 Вт и не более 0,95 для больших мощностей. При этом в составе этих ИП должны быть электролитические конденсаторы большой емкости для снижения пульсаций, что сокращает срок службы ИП.
На рис. 1 показана схема построения изолированного источника напряжения с дополнительной подпиткой, в котором устранен ряд недостатков, ввиду наличия изолированного корректора мощности (PFC) в первой ступени и дополнительного ИП существенно меньшей мощности, чем в классической двухстадийной схеме.
Входная цепь может быть однофазная, двухфазная, трехфазная или многофазная, далее идет сетевой фильтр и корректор мощности (PFC), обязательно изолированный от промышленной сети. К PFC последовательно и согласно подключен дополнительный источник питания (в данном случае источник напряжения), который с помощью обратной связи (о.с.) отслеживает не только стабильность выходного напряжения, но и компенсирует его пульсации, путем добавления напряжения до максимально возможного пикового с учетом нестабильности U, и его пульсаций.
Напряжение на нагрузке поддерживается при колебаниях входного напряжения в заданных пределах с заданным уровнем пульсации с помощью дополнительного источника напряжения, частотная характеристика которого должна это позволять, не входя в автоколебания. Большое преимущество данной схемы в том, что ни на выходе PFC, ни на выходе дополнительного ИП, не требуется электролитических конденсаторов и при этом достигается низкий уровень пульсаций (реальная величина может быть <0,5%).
Аналогично строится схема источника тока (ИТ), см. рис. 2.
Вместо источника напряжения дополнительного (ИНД) включается источник тока дополнительный (ИТД), обратная связь по току берется с RM3M.
В схемах рис. 1, 2 показано подключение к однофазной сети, но эти схемы пригодны для трехфазной, многофазной и других сетей. Источник питания дополнительный ИНД, либо ИТД, могут быть подключены к выходу PFC, либо к выходу любого источника напряжения.
Рассмотрим характеристики источника питания, к которому подсоединена нагрузка:
н
1. Напряжение на нагрузке U:
, где:
1
U - максимально возможное напряжение после PFC с учетом половины размаха пульсаций и при максимальном напряжении сети,
0
1
U - начальное напряжение на источнике дополнительном, при U=max.
н
2. Эффективность общего источника на нагрузке η:
, где:
H
η- эффективность суммарная,
PFC
η - эффективность PFC, включая выпрямительный мост, фильтры и др.,
2прив
η - эффективность дополнительного источника питания, приведенная к полной мощности на нагрузке.
3. Эффективность ИПД, приведенная к мощности нагрузки:
, где:
2
2
1
2
η - эффективность источника питания дополнительного (ИПД) на текущей мощности, η=F(Р);
2
Н
1
2
Р - текущая мощность ИПД, Р=P+Р;
H
н
H
Р - мощность на нагрузке (P=const при I=const);
1
Р - мощность текущая PFC.
2
2
Н
2прив
2
Из (3) следует, что потери в дополнительном источнике (1-η) учитываются в уменьшенном виде на величину соотношения Р/Р, означает существенное повышение эффективности η по отношению к реальному η.
Иначе говоря, если дополнительному ИП следует компенсировать общую нестабильность и пульсации PFC в размере 20%, то реальная мощность дополнительного ИП будет менее 20% от общей мощности и учитываемые его относительные потери, приведенные к общей мощности, будут более чем в пять раз меньше его реальных потерь, а эффективность соответственно выше.
2
2
2
2
Н
2прив
При уменьшении мощности Руменьшается ηи выражение, характеризующее потери в ИПД (1-η) увеличивается, в то же время соотношение Р/Р уменьшается, что дает относительную стабилизацию значения η в некотором диапазоне мощностей.
Если характеристики PFC (стабильность выходного напряжения и пульсации) не превышают в сумме примерно 15%, то, как правило, эффективность ИПД существенно выше эффективности PFC и общая эффективность системы будет немного ниже эффективности PFC. Такая схема с дополнительным ИП особенно целесообразна, когда нужно исключить электрические конденсаторы на выходе PFC и, в то же время, получить приемлемый уровень пульсаций.
В общем случае, эффективность результирующего ИП будет тем выше, чем выше его мощность, так как в этом случае растут эффективности PFC и ИПД.
2прив
преобр
2прив
Если сравнить полученные результаты с традиционными ИП, где после PFC идет преобразователь, то в формуле (3) вместо ηнадо использовать η, который не выше 0,94-0,95 для неизолированного преобразователя (а для "N≥0,97-0,995).
Это объясняет, почему ИП с дополнительными источниками питания эффективнее, чем обычные двухстадийные преобразователи.
Преимущества настоящей полезной модели по отношению к традиционным двухстадийным ИП в следующем:
1. Повышенная эффективность (определяется в основном PFC).
2. Отсутствие электролитических конденсаторов при малой пульсации выходного напряжения (тока).
3. Меньшие габариты, вес и стоимость (ввиду существенно меньшей мощности ИПД по сравнению со второй ступенью преобразования).
0
У метода ИПД имеется еще одна сфера применения - улучшение уже имеющегося источника напряжения (тока). Так, если мы имеем источник напряжения с недостаточно хорошими характеристиками (нестабильностью, пульсациями), то подключая к нему дополнительный источник напряжения (тока) (по рис. 1, 2) получим общий источник напряжения (тока) с гораздо лучшими характеристиками, но выходное напряжение результирующего ИП также будет выше на величину нестабильности исходного ИП вверх от номинального с учетом пульсаций плюс остаточное напряжение на ИПД (U).