Перетворювач постійної напруги підвищувальний

Реферат: UA 81878 U UA 81878 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області електротехніки, а саме до перетворювальної техніки, і може використовуватись при створенні джерел вторинного електроживлення, агрегатів безперебійного електроживлення, при перетворенні енергії від вітрогенераторів і сонячних батарей та в інших пристроях силової електроніки. Відомий класичний імпульсний регулятор напруги підвищувального типу [1], що містить вхідний, загальний і вихідний виводи для підключення відповідно джерела живлення і навантаження, дросель, одним виводом підключений до вхідного виводу, іншим виводом через діод - до вихідного виводу, конденсатор вихідного фільтра, включений між загальним і вихідним виводами, керований ключ, одним виводом підключений до загального виводу, другим виводом - до точки з'єднання дроселя і діода. Керуючий вивід ключа підключено до виходу джерела сигналів, що управляють. При замиканні ключа до дроселя прикладається напруга джерела живлення і струм в дроселі збільшується. При розмиканні ключа відкривається діод і струм дроселя замикається через джерело живлення, цей діод на конденсатор фільтра і навантаження. При цьому до дроселя прикладається різниця вхідної і вихідної напруги і струм дроселя зменшується. Недоліком такого регулятора є імпульсне заряджання конденсатора вихідного фільтра, що вимагає вживання конденсатора великої ємкості і є причиною великих пульсацій вихідної напруги. Найбільш близьким за технічною суттю та конструктивними ознаками до нового технічного рішення, що заявляється, є імпульсний регулятор напруги підвищувального типу [2] (фіг. 1). Він містить вхідний 1, загальний 2 і вихідний 3 виводи для підключення відповідно джерела живлення 4 і навантаження 5, дросель 6, одним виводом підключений до вхідного виводу 1, іншим виводом через перший діод 7 - до вихідного виводу 2, керований ключ 8, одним виводом підключений до загального виводу 2, керуючим виводом, до виходу джерела сигналів 9 та конденсатор вихідного фільтра 10, включений між загальним 2 і вихідним виводами 3. В регулятор додатково введені трансформатор струму 11, другий 12 і третій 13 діоди. Причому початок первинної обмотки трансформатора струму 11 з'єднаний з вільним виводом керованого ключа 8, кінець - з точкою з'єднання дроселя 6 і першого діода 7. Початок вторинної обмотки трансформатора струму 11 з'єднано з вхідним виводом 1, кінець - через другий діод 12, включений зустрічно першому діоду 7, з'єднано з вихідним виводом 3 і через третій діод 13, включений згідно з другим діодом 12, з'єднано із загальним виводом 2. Відомий імпульсний регулятор напруги має знижений рівень пульсацій вихідної напруги завдяки безрозривному струму заряджання конденсатора вихідного фільтра 10. Але безрозривність струму досягається тільки при умові рівної кількості витків первинної і вторинної обмоток трансформатора струму 11. При іншому співвідношенні кількості витків струм заряджання конденсатора вихідного фільтра 10 має ступеневу форму, яка не здатна забезпечити на виході малий рівень пульсацій напруги. Недоліками відомого регулятора також є: - підвищена напруга на розімкнутому ключі, яка перевищує вихідну напругу на величину вхідної напруги через додаткову напругу на первинній обмотці трансформатора струму [3]. При зростанні робочої напруги ключів на MOSFET транзисторах, зростає їх опір у провідному стані і відповідні втрати потужності; - енергія перемагнічування трансформатора струму після розмикання ключа повертається через діод 13 до джерела живлення, замість передачі в навантаження. Такий шлях створює даремну циркуляцію цієї енергії через джерело живлення і збільшує втрати потужності; - енергія, яка накопичується в індуктивності розсіювання трансформатора струму створює додатковий підвищений імпульс напруги при розмиканні ключа. Для придушення цього імпульсу потрібно встановлювати демпфуючий ланцюжок, який збільшує втрати потужності; - максимальне значення коефіцієнта заповнення імпульсів в ключі для безперервного режиму вихідного струму обмежено Dmax≤0,618 [3], а діапазон регулювання підвищенням вихідної напруги відносно вхідної виявляється звуженим і знаходиться в межах (1-1,618) раз. Це обмеження обумовлено тим, що в прототипі осердя трансформатора струму не встигає перемагнітитися за час розімкненого стану ключа. Задачею корисної моделі є зниження втрат потужності в перетворювачі та розширення діапазону регулювання вихідної напруги. Поставлена задача вирішується тим, що перетворювач постійної напруги підвищувальний складається з вхідного, загального і вихідного виводів для підключення відповідно джерела живлення і паралельно з'єднаних конденсатора вихідного фільтра та навантаження, дроселя, одним виводом підключеного до вхідного виводу, другим виводом через перший діод до вихідного виводу, трансформатора напруги, початок первинної обмотки якого підключено до 1 UA 81878 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 вхідного виводу, а кінець через другий діод - до вихідного виводу, керованого ключа, одним виводом з'єднаного із загальним виводом, а керуючим входом - з виходом джерела керуючих сигналів, та третього діода. Перетворювач відрізняється тим, що другий вивід керованого ключа підключено до точки з'єднання другого діода і кінця первинної обмотки трансформатора напруги, початок вторинної обмотки якого підключено через третій діод до вихідного виводу, а кінець - до точки з'єднання дроселя і першого діода. Досягнення нового технічного результату в запропонованому перетворювачі полягає в наступному: - знижено статичні і динамічні втрати потужності у керованому ключі, завдяки можливості використання його як MOSFET транзистора з меншою робочою напругою і, відповідно, меншим значенням опору в провідному стані, а також меншою амплітудою імпульсів напруги; - зменшено втрати потужності від даремної циркуляції через джерело живлення енергії, яка накопичується в індуктивності намагнічування трансформатора напруги. Більша частка цієї енергії передається безпосередньо в навантаження; - розширено діапазон регулювання вихідної напруги через можливість зміни відношення кількості витків первинної і вторинної обмоток трансформатора напруги без появи ступеневої форми струму, який заряджає конденсатор вихідного фільтра. На основі вищевказаного можна зробити висновок, що сукупність суттєвих ознак, яка запропонована в формулі корисної моделі, є необхідною та достатньою для досягнення нового технічного результату. Запропонований перетворювач (фіг. 2) складається з вхідного 1, загального 2 і вихідного 3 виводів, джерела живлення 4, паралельно з'єднаних конденсатора вихідного фільтра 5 та навантаження 6, дроселя 7, трансформатора напруги 8, керованого ключа 9, джерела керуючих сигналів 10 та першого 11, другого 12 і третього 13 діодів. Джерело живлення 4 підключено між вхідним 1 і загальним 2 виводами, а конденсатор вихідного фільтра 5 та навантаження 6 - між вихідним 3 і загальним 2 виводами. Дросель 7 підключено одним виводом до вхідного виводу 1, другим виводом через перший діод 11 до вихідного виводу 3. Обмотки трансформатора напруги 8 підключені: початок первинної обмотки - до вхідного виводу 1, кінець первинної обмотки - через другий діод 12 до вихідного виводу 3, початок вторинної обмотки - через третій діод 13 до вихідного виводу 3, а кінець - до точки з'єднання дроселя 7 і першого діода 11. Керований ключ 9 одним виводом з'єднаний із загальним виводом 3, другим виводом - з точкою з'єднання другого діода 12 і кінця первинної обмотки трансформатора напруги 8, а керуючим входом - з виходом джерела керуючих сигналів 10. На фіг. 1 зображена схема пристрою, що використовується як прототип. На фіг. 2 зображена схема запропонованого пристрою. На фіг. 3-10 зображені часові діаграми, що пояснюють роботу запропонованого пристрою: Фіг. 3 - сигнал з виходу джерела керуючих сигналів 10; Фіг. 4 - струм керованого ключа 9; Фіг. 5 - напруга на керованому ключі 9; Фіг. 6 - напруга на вторинній обмотці трансформатора напруги 8; Фіг. 7 - струм дроселя 7; Фіг. 8 - струм третього діода 13; Фіг. 9 - струм першого діода 11; Фіг. 10 - струм другого діода 12. Робота запропонованого перетворювача (фіг. 2) здійснюється таким чином. Джерело керуючих сигналів 10 вмикає та вимикає керований ключ 9 і виконує регулювання коефіцієнта заповнення імпульсів струму ключа для підтримки заданого значення напруги на вихідному виводі 3. У момент часу t0 джерело керуючих сигналів 10 (фіг. 3) замикає керований ключ 9 (фіг. 4, 5) і цим підключає первинну обмотку трансформатора напруги 8 до джерела живлення 4. На вторинній обмотці трансформатора напруги 8 (фіг. 6) з'являється напруга з полярністю, що підсумовується до напруги джерела живлення 4. Сукупна напруга вторинної обмотки трансформатора напруги 8 і джерела живлення 4 перевищує значення вихідної напруги на виводі 3 та викликає наростаючий струм дроселя 7 (фіг. 7). Цей струм замикається по ланцюгу: джерело живлення 4, дросель 7, вторинна обмотка трансформатора напруги 8, третій діод 13 (фіг. 8), конденсатор вихідного фільтра 5 та навантаження 6. На інтервалі часу (t0-t1) перший 11 і другий 12 діоди мають не провідний стан (фіг. 9, 10), осердя трансформатора напруги 8 намагнічується струмом через його обмотки. 2 UA 81878 U 5 10 15 20 25 При розмиканні керованого ключа 9 в момент часу t1 (фіг. 4, 5) спадаючий струм дроселя 7 (фіг. 7) замикається через перший діод 11 (фіг. 9), конденсатор вихідного фільтра 5 і навантаження 6 та джерело живлення 4. У цей же момент часу розмикається третій діод 13 (фіг. 8) і замикається другий діод 12 (фіг. 10). На інтервалі часу (t1-t2) струм розмагнічування осердя трансформатора напруги 8 замикається через джерело живлення 4 і другий діод 12 на конденсатор вихідного фільтра 5 та навантаження 6. При цьому до первинної обмотки трансформатора напруги 8 прикладається різниця між напругами на вихідному виводі 3 і джерела живлення 4. Після розмагнічування в момент часу t2 осердя трансформатора напруги 8 повертається в початковий стан, відповідний моменту часу t3. В запропонованому перетворювачі конденсатор вихідного фільтра 15 заряджається як при замкнутому, так і при розімкнутому керованому ключі 9 одним і тим же, тобто безрозривним, струмом дроселя, що призводить до суттєвого зменшення пульсацій вихідної напруги на виводі 3. І навіть при відсутності конденсатора вихідного фільтра 5 пульсації напруги на навантаженні 6 можуть бути незначними. В режимі безперервного струму дроселя 7 рівняння вольт-секундного балансу на інтервалах замкнутого D-T і розімкнутого (1-D)·T станах керованого ключа 9 визначається: E  n  E  U0   D  T  U0  E  1 D  T (1) де E , U0 - вхідна і вихідна напруги на виводах 1, 3; n  N2 / N1 - коефіцієнт трансформації, тобто відношення кількості N 2 витків вторинної обмотки до кількості N1 первинної трансформатора напруги 8; T , D - період слідування і коефіцієнт заповнення імпульсів керування ключем 9. Коефіцієнт перетворення М запропонованого перетворювача напруги, як відношення вихідної напруги U0 до вхідної Е витікає з виразу (1): U M  0  1  n  D (2) E Режим безперервного струму дроселя 7 можливий тільки тоді, коли відбувається своєчасне розмагнічування трансформатора напруги 8 і виключено насичення його осердя. Інтервал часу, необхідний для розмагнічування осердя трансформатора напруги 8, виходить з рівняння вольт-секундного балансу первинної обмотки E  D  T  U0  E  t p у вигляді виразу: E  D  T (3) U0  E Для того, щоб осердя трансформатора напруги 8 встигало розмагнічуватися за інтервал часу розімкнутого стану 1 D  T керованого ключа 9, необхідно виконання нерівності: t p  1  D  T (4) tp  30 35 40 45 50 Зробивши підстановку в останню нерівність (4) виразів (2), (3) отримаємо умову, при якій гарантується запобігання насичення осердя трансформатора напруги: n  M (5) Таким чином, якщо дотримуватися умови (5) для верхньої межі коефіцієнта перетворення n  Mmax , то у всьому діапазоні регулювання від M  1 до M  Mmax виключається насичення осердя трансформатора напруги 8 і тим зберігається безперервний режим струму дроселя 7. Дуже важлива особливість запропонованого перетворювача полягає в тому, що зміна відношення кількості витків вторинної N2 і первинної N1 обмоток трансформатора напруги 8 з виконанням умови (5) не приводить до появи ступеневої форми струму, який заряджає конденсатор фільтра 15. Це забезпечує мінімальні пульсації вихідної напруги при різних відношеннях n  N2 / N1 , тобто, як слідує з виразу (2), в широкому діапазоні значень коефіцієнта перетворення М. Запропонований перетворювач при рівній з прототипом кількості елементів схеми має відносно нього такі переваги: - зменшена імпульсна напруга на керованому ключі тому, що вона фіксується на рівні вихідної напруги; - зменшено втрати потужності в окремих елементах схеми; - енергія, яка накопичується в індуктивності намагнічування трансформатора напруги виводиться переважно в навантаження; - мінімальні пульсації вихідної напруги зберігаються в широкому діапазоні значень коефіцієнта перетворення. 3 UA 81878 U 5 10 Експериментальні зразки запропонованого перетворювача постійної напруги були виготовлені на Науково-виробничому підприємстві "Імпульс" (м. Запоріжжя). Проведено випробування зразків з потужністю 50 Вт і 1 кВт, які підтвердили працездатність запропонованої схеми (фіг. 2) та вказані переваги відносно прототипу. Джерела інформації: 1. Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. - М: Техносфера, 2005.-632 с. (Рис. 11. 10 на с. 235). 2. Пат. RU 2241299 С1 МПК Н02М 3/325. Импульсный регулятор напряжения повышающего типа / Красников Ю.И. Боровиков В.М. - Опубл. 27.11.2004, Бюл. № 33. 3. Боровиков В., Красников Ю. Поиск "идеальных" решений в силовой электронике: от постановки задачи до реализации проекта / Современная электроника.-2006. - № 8. - С. 36-42. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 20 25 Перетворювач постійної напруги підвищувальний, що складається з вхідного, загального і вихідного виводів для підключення відповідно джерела живлення і паралельно з'єднаних конденсатора вихідного фільтра та навантаження, дроселя, одним виводом підключеного до вхідного виводу, другим виводом через перший діод до вихідного виводу, трансформатора напруги, початок первинної обмотки якого підключено до вхідного виводу, а кінець через другий діод - до вихідного виводу, керованого ключа, одним виводом з'єднаного із загальним виводом, а керуючим входом - з виходом джерела керуючих сигналів, та третього діода, який відрізняється тим, що другий вивід керованого ключа підключено до точки з'єднання другого діода і кінця первинної обмотки трансформатора напруги, початок вторинної обмотки якого підключено через третій діод до вихідного виводу, а кінець - до точки з'єднання дроселя і першого діода. 4 UA 81878 U Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5