Ячейка преобразователя напряжения
Текст
(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Черяев Виктор Александрович(72) Автор Черяев Виктор Александрович(73) Патентообладатель Черяев Виктор Александрович(56) Севернс С. и др. Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания / Под ред. Смольникова Л.Е. - Москва Энергоатомиздат, 1988. - С. 140141.2214671 2, 2003.1598076 1, 1990.1525836 1, 1989.3740639 , 1973.96/08071 1.(57) Ячейка преобразователя напряжения, содержащая трансформатор и силовой ключ, последовательно соединенный с первичной обмоткой трансформатора, отличающаяся тем,что первичная обмотка трансформатора выполнена в виде длинной линии. 10896 1 2008.08.30 Изобретение относится к электротехнике и может использоваться в преобразовательной технике, например, в источниках вторичного электропитания. Известны преобразователи постоянного напряжения, работа которых основана на накоплении энергии в индуктивности при протекании тока через нее в одной фазе и передаче накопленной энергии в нагрузку в другой фазе. Например, широко используется обратноходовой преобразователь, в котором накопительная индуктивность реализуется индуктивностью первичной обмотки трансформатора 1. Известен также прямоходовой преобразователь, работа которого основана на прямой передаче энергии источника питания в нагрузку через трансформатор и фильтр во время замкнутого состояния ключа. Топологии прямоходового и обратноходового преобразователей различаются только в цепи вторичной обмотки трансформатора. Эти две топологии можно обобщить, если используемый в обратноходовом преобразователе выходной емкостной фильтр объединить с нагрузкой в комплексную нагрузку и используемый в прямоходовом преобразователе выходной фильтр-интегратор, состоящий из диода, емкости и индуктивности, соответственно также объединить с нагрузкой в комплексную нагрузку. В таких схемах прямоходовой и обратноходовой преобразователи различаются лишь полярностью подключения вторичной обмотки трансформатора. Таким образом, обобщенная топология однотактного преобразователя с гальванической развязкой входа и выхода содержит силовой каскад,состоящий из силового ключа и импульсного трансформатора, выпрямитель и комплексную нагрузку. Силовой каскад преобразователя часто называется ячейкой. В 1 приводятся четыре наиболее характерные схемы преобразовательных ячеек однотактного преобразователя, преобразователя со средней точкой первичной обмотки трансформатора,полумостового преобразователя и мостового преобразователя. Можно заметить, что схема ячейки однотактного преобразователя является самой элементарной и используется в других схемах. Например, в двухтактном преобразователе со средней точкой одно плечо схемы является силовым каскадом, состоящим из транзисторного ключа и трансформатора. То же самое можно сказать о полумостовом и мостовом преобразователях, а также о преобразователе - диодно-транзисторном мосте 2, называемом однотактный полумост, топология которого является однотактной разновидностью мостового преобразователя. Ячейки преобразователей напряжения, выполненные по одной из топологий, используются в составных преобразователях 1. Также известны трансформаторы на основе длинной линии 3, у которых первичная обмотка выполнена в виде длинной линии. В обратноходовом преобразователе при обрыве в цепи вторичной обмотки на элементах схемы могут возникать импульсы напряжения, способные вывести их из строя. При отключении нагрузки возможен заряд конденсатора фильтра до недопустимо высокого напряжения. В прямоходовом преобразователе энергия, накопленная в индуктивности намагничивания трансформатора, должна быть рекуперирована. Для этого применяют различные демпфирующие цепи стабилитроны, -цепочки, -цепочки, активный кламп, либо используется дополнительная обмотка с диодом. Сброс накопленной трансформатором энергии в других типах преобразователей, силовые каскады которых работают на прямом ходу, может осуществляться иначе. Например, в полумостовых и мостовых схемах для этого используются встречно-параллельные диоды. Однако при высокой частоте преобразования и демпфирующие цепи, и диоды снижают к.п.д. из-за дополнительных потерь в них при переключениях. В ячейке как прямоходового преобразователя, так и обратноходового сложно реализуется размагничивание магнитопровода трансформатора, особенно это касается обратноходового преобразователя, в котором часто используется режим непрерывных токов через дроссель, реализуемый обмотками трансформатора, и применяется магнитопровод с воздушным зазором. 2 10896 1 2008.08.30 Наиболее близкий прототип предлагаемого устройства - силовой каскад однотактного преобразователя 1. В основу изобретения положена задача создания ячейки преобразователя, в которой ограничивается амплитуда импульсов напряжения на силовом ключе при его размыкании,достигается простым способом активное размагничивание магнитопровода трансформатора, увеличивается рабочая частота преобразования. Для решения поставленной задачи предлагается в ячейке однотактного преобразователя вместо обычного импульсного трансформатора использовать трансформатор, первичная обмотка которого выполнена в виде длинной линии. При размыкании силового ключа энергия, накопленная в индуктивностях трансформатора, заряжает линию, что ограничивает амплитуду импульсов напряжения на ключе. Последующий разряд линии возвращает рекуперированную энергию и одновременно размагничивает магнитопровод трансформатора. Линия может быть выполнена с распределенными параметрами, что позволяет повысить частоту преобразования. Предлагаемая ячейка может работать как в обратноходовом режиме, так и в прямоходовом. На фиг. 1 изображена электрическая схема предлагаемой ячейки преобразователя. На фиг. 2 изображена электрическая схема обратноходового преобразователя с предлагаемой ячейкой. На фиг. 3 изображена эквивалентная схема обратноходового преобразователя с предлагаемой ячейкой. На фиг. 4 изображена электрическая схема прямоходового преобразователя с предлагаемой ячейкой. Описание устройства рассмотрим по схеме фиг. 1. Предлагаемая ячейка преобразователя напряжения содержит трансформатор Т, первичная обмотка которого выполнена в виде длинной линии , и последовательно соединенный с первичной обмоткой силовой ключ , подключенный к концу линии. Напряжение питания ПИТ подается на начало линии . На управляющий электрод ключаподаются импульсы управления УПР, управляющие замыканием и размыканием ключа . Работу ячейки рассмотрим в составе обратноходового преобразователя по схеме фиг. 3, которая является эквивалентной схемой схемы фиг. 2. Выпрямительный диоди комплексная нагрузка , состоящая из емкости фильтра и сопротивления нагрузки, в эквивалентной схеме перенесены на сторону первичной обмотки и обозначены, соответственно, , , С и н. С подачей импульса управления УПР на управляющий электрод ключазамыкается ключа , и в заряженной до напряжения ПИТ длинной линии , являющейся первичной обмоткой трансформатора Т, начинает распространяться волна тока намагничивания линии, которая в зависимости от длительности замкнутого состояния ключаможет несколько раз отразиться от конца линии и ступенчато возрасти. Пока ключостается замкнутым, напряжение на комплексную нагрузку , состоящую из конденсатора фильтра С и нагрузки н, не подается, так как заперт диод . Когда ключразмыкается, часть энергии, накопленной в индуктивности линии , передается в нагрузку, часть заряжает емкости линии. От конца линиик ее началу начинает распространяться волна повышенного напряжения. Одновременно отпирается диод , и ток индуктивности линиизаряжает емкость С и обеспечивает ток через нагрузку н. Когда волна повышенного напряжения достигает начала линии, линия начинает разряжаться в источник, и к ее концу распространяется волна тока разряда линии. Диодостается открытым до тех пор, пока волна тока разряда не достигнет конца линии. По достижении конца линии этот ток перезаряжает линию, и напряжение на конце линии уменьшается, а диодзапирается. С приходом очередного импульса управления УПР ключснова замыкается, и процессы периодически повторяются. Эквивалентная схема фиг. 3 идентична известной схеме инвертирующего регулятора напряжения, в которой индуктивность заменена длинной линией. При отключенной нагрузке либо в аварийном режиме, например, если отсоединен диод , максимальная амплитуда напряжения на ключе может быть ограничена значением, равным произведению 3 10896 1 2008.08.30 волнового сопротивления линии на прерываемый ток намагничивания в момент размыкания ключа . В данной схеме возможно активное размагничивание магнитопровода током разряда линии в источник питания. На схеме фиг. 4 показана предлагаемая ячейка в составе прямоходового преобразователя. Ее работа отличается от рассмотренной обратноходовой схемы фиг. 2 энергия в нагрузку передается непосредственно от источника через замкнутый силовой ключ, а при размыкании ключа нагрузка отключается выпрямительным диодом, и вся энергия, накопленная в индуктивностях трансформатора, заряжает линию, которая затем разряжается в источник и размагничивает магнитопровод. Напряжение на силовом ключе ограничивается напряжением, равным произведению волнового сопротивления линии на прерываемый ток намагничивания линии, а перемагничивание магнитопровода в процессе работы преобразователя возможно по предельной петле гистерезиса. Эффективная работа предлагаемой ячейки в составе преобразователей существенно зависит от правильной организации управления силовым ключом. В линии может быть получен режим стоячих волн, при котором снижены динамические потери при переключениях, эффективно перемагничивается магнитопровод, ограничивается напряжение на ключе, делится напряжение между звеньями линии. Целесообразно использовать импульсы управления с постоянной скважностью либо меандр. Работа ячейки возможна при питании как от источника напряжения, так и от источника тока. В предлагаемой ячейке трансформатор обеспечивает гальваническое разделение входа и выхода, трансформацию, позволяет получать напряжения на нескольких вторичных обмотках, а также суммировать мощности нескольких ячеек. Несколько однотипных ячеек легко могут быть объединены в составной преобразователь. Линии отдельных ячеек могут располагаться каждая на своем магнитопроводе, либо несколько линий могут располагаться на одном магнитопроводе. Составной преобразователь на предлагаемых ячейках может использоваться для получения ступенчато-синусоидального напряжения. Ячейка также может быть использована в других топологиях, отличных от топологии однотактного преобразователя, например, в полумостовых, мостовых и схемах со средней точкой первичной обмотки трансформатора, в однотактном полумосте, при этом могут быть исключены встречно-параллельные диоды. Использование длинной линии с распределенными параметрами способствует миниатюризации преобразователей, построенных на таких ячейках. Источники информации 1. Севернс Р., Блум Г. Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания. - М. Энергоатомиздат, 1988. 2. Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. - Москва Техносфера,2005. 3. Патент на изобретение РБ 9879. Трансформатор на основе длинной линии. Дата регистр. 2007.07.06. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5
МПК / Метки
МПК: H01F 19/00, H02M 3/28, H02M 3/335, H02M 3/08
Метки: ячейка, преобразователя, напряжения
Код ссылки
<a href="https://by.patents.su/5-10896-yachejjka-preobrazovatelya-napryazheniya.html" rel="bookmark" title="База патентов Беларуси">Ячейка преобразователя напряжения</a>
Предыдущий патент: Стеклокерамический материал
Следующий патент: Двухслойный пленочный материал для герметичной упаковки овощей или фруктов
Случайный патент: Автомобильный кран