Перетворювач постійного струму з множенням напруги

Реферат: Перетворювач постійного струму з множенням напруги складається з виводу подачі живлення, загального виводу і виводу навантаження, дроселя, одним виводом підключеного до виводу подачі живлення, іншим виводом через діод в провідному напрямку - до позитивного виводу першого фільтруючого конденсатора, негативний вивід якого з'єднаний з загальним виводом, керованого ключа, першим виводом підключеного до точки з'єднання дроселя і діода, а другим - до загального виводу, та N підвищувальних комірок, кожна з яких має вхідний вивід і два вихідні негативний та позитивний виводи, між якими приєднаний фільтруючий конденсатор, два послідовно з'єднаних діоди, перший вільний вивід провідного напрямку яких підключено до позитивного вихідного виводу. Вихідні виводи комірок з'єднані послідовно в односпрямованій полярності в ланцюг, негативним кінцем підключений до позитивного виводу першого фільтруючого конденсатора, а позитивним - до виводу навантаження перетворювача. В кожну з N підвищувальних комірок додатково введено резонансний дросель, одним кінцем підключений до другого вільного виводу двох послідовно з'єднаних діодів, а іншим - до негативного вихідного виводу, при цьому всі вхідні виводи комірок підключені до першого виводу керованого ключа. UA 102342 U (54) ПЕРЕТВОРЮВАЧ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ З МНОЖЕННЯМ НАПРУГИ UA 102342 U UA 102342 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, сонячних батарей і акумуляторів та в інших пристроях силової електроніки. Відомий класичний імпульсний перетворювач 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 вихідним і загальним виводами, керований ключ, одним виводом підключений до точки з'єднання дроселя і діода, а другим виводом - до загального виводу. На керуючий вивід ключа подаються управляючі імпульси з регульованим коефіцієнтом заповнення для стабілізації вихідної напруги в умовах коливання вхідної. Недоліком такого перетворювача є обмеження можливості збільшення коефіцієнта перетворення M=1/(1-D) до значень, не перевищуючих 5, оскільки цьому відповідають близькі до одиниці значення коефіцієнта заповнення імпульсів D, при яких різко зростають втрати потужності в елементах схеми і знижується ККД [1]. Для збільшення робочих значень коефіцієнта перетворення (М = 5-20) у відомому перетворювачі [2] використовують підвищувальні комірки, які виконують функцію нарощування (помноження) вихідної напруги. Такий перетворювач (фіг. 1) є найбільш близьким аналогом за технічною суттю та конструктивними ознаками до запропонованої корисної моделі. Він складається з виводів подачі живлення Vi та підключення навантаження R L відносно загального виводу, трансформатора з первинною обмоткою N 1 і декількома вторинними обмотками N2, N3…Nn, керованого ключа S, діода D1, фільтруючого конденсатора С1 та (n-1) підвищувальних комірок. Первинна обмотка N1 трансформатора, яка є дроселем, одним виводом підключена до виводу подачі живлення, іншим виводом через діод D1 в провідному напрямку - до позитивного виводу фільтруючого конденсатора С 1, негативний вивід якого з'єднаний з загальним виводом. Керований ключ S підключений між точкою з'єднання первинної обмотка N1 трансформатора і діода D1 та загальним виводом. Кожна з підвищувальних комірок містить одну з вторинних обмоток N 2 (або N3…Nn) трансформатора, розділовий конденсатор С2 (або С4; С6), два послідовно з'єднаних діоди D2, D3 (або D4, D5; D6, D7) та фільтруючий конденсатор С3 (або С5; С7), виводи якого утворюють різнополярні (позитивний та негативний) вихідні виводи комірки. Вільні виводи послідовно з'єднаних діодів D2, D3 підключені між вихідними виводами. Один з виводів вторинної обмотки N2 трансформатора підключений через розділовий конденсатор С 2 до точки з'єднання діодів D2, D3, а другий - до негативного вихідного виводу. Вихідні виводи комірок, тобто виводи фільтруючих конденсаторів С 3, С5, С7, з'єднані послідовно в односпрямованій полярності в ланцюг, який негативним кінцем підключений до позитивного виводу фільтруючого конденсатора С1, а позитивним - до виводу навантаження RL. Принцип роботи цього пристрою базується на передачі енергії в підвищувальні комірки шляхом трансформації струму з первинної обмотки трансформатора до вторинних обмоток. Недоліком відомого перетворювача є складність виготовлення багатообмотувального трансформатора, а також низька ефективність трансформації струму, тому що із зростанням кількості обмоток знижується коефіцієнт зв'язку вторинних обмоток з первинною і зростають індуктивність розсіювання та втрати потужності. Крім того, такий трансформатор має великі габарити і вагу. Інший недолік полягає в тому, що струм споживання пристрою є переривчастим [2], а це спотворює збільшення імпульсного струму керованого ключа і втрат потужності в ньому. Задачею корисної моделі є спрощення пристрою, зниження втрат потужності і збільшення його ККД. Поставлена задача вирішується тим, що перетворювач постійного струму з множенням напруги складається з виводу подачі живлення, загального виводу і виводу навантаження, дроселя, одним виводом підключеного до виводу подачі живлення, іншим виводом через діод в провідному напрямку - до позитивного виводу першого фільтруючого конденсатора, негативний вивід якого з'єднаний з загальним виводом, керованого ключа, першим виводом підключеного до точки з'єднання дроселя і діода, а другим - до загального виводу, та N підвищувальних комірок. Кожна з комірок містить вхідний вивід і два вихідні негативний та позитивний виводи, між якими приєднаний фільтруючий конденсатор, два послідовно з'єднаних діоди, перший вільний вивід провідного напрямку яких підключено до позитивного вихідного виводу, а точка їх з'єднання через проміжний конденсатор - до вхідного виводу. Вихідні виводи комірок з'єднані 1 UA 102342 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 послідовно в односпрямованій полярності в ланцюг, негативним кінцем підключений до позитивного виводу першого фільтруючого конденсатора, а позитивним - до виводу навантаження перетворювача. У перетворювач, згідно з корисною моделлю, в кожну з N підвищувальних комірок додатково введено резонансний дросель, одним кінцем підключений до другого вільного виводу двох послідовно з'єднаних діодів, а іншим - до негативного вихідного виводу. При цьому всі вхідні виводи підвищувальних комірок підключені до першого виводу керованого ключа. Новий технічний результат в запропонованому перетворювачі полягає в наступному: - спрощення пристрою завдяки виключенню із схеми складного у виготовленні багатообмотувального трансформатора, який до того ж створює додаткові втрати потужності; - зниження втрат потужності в керованому ключі за рахунок зменшення імпульсного струму через нього, яке досягається безперервним режимом споживання струму від джерела живлення в порівнянні з переривчастим режимом в прототипі; - мінімізація втрат потужності при передачі напруги до проміжного конденсатора шляхом застосування резонансного процесу його заряду. Запропонований перетворювач (фіг. 2) складається з виводу подачі живлення 1, загального виводу 2, виводу навантаження 3, дроселя 4, діода 5, першого фільтруючого конденсатора 6, керованого ключа 7 та N підвищувальних комірок 8 (8(1)), 8(2)…8(N)). Дросель 4, одним виводом підключений до виводу подачі живлення 1, а іншим через діод 5 в провідному напрямку - до позитивного виводу першого фільтруючого конденсатора 6, негативний вивід якого з'єднаний з загальним виводом 2. Керований ключ 7 першим виводом підключений до точки з'єднання дроселя 4 і діода 5, а другим - до загального виводу 2. Кожна з комірок 8 (8(1), 8(2)…8(N)) містить вхідний вивід 9, два вихідних негативний 10 і позитивний 11 виводи, між якими приєднаний фільтруючий конденсатор 12, резонансний дросель 13, два послідовно з'єднаних діоди 14, 15 та проміжний конденсатор 16. Перший вільний вивід послідовно з'єднаних діодів 14, 15 підключено в провідному напрямку до позитивного вихідного виводу 11, а точка їх з'єднання через проміжний конденсатор 16 - до вхідного виводу 9. Резонансний дросель 13, одним кінцем підключений до другого вільного виводу послідовно з'єднаних діодів 14,15, а іншим - до негативного вихідного виводу 10. Вихідні виводи 10, 11 комірок 8 з'єднані послідовно в односпрямованій полярності (тобто позитивний вихід 11 попередньої комірки з'єднаний з негативним виходом 10 наступної) і утворюють ланцюг з негативним і позитивним кінцями. Негативний кінець цього ланцюга підключений до потенційного виводу першого фільтруючого конденсатора 6, а позитивний - до виводу навантаження 3 перетворювача. Вхідні виводи 9 всіх комірок 8 (8(1)), 8(2)…8(N)) підключені до першого виводу керованого ключа 7. На фіг. 1 зображена схема пристрою найближчого аналога. На фіг. 2 зображена схема запропонованого пристрою. На фіг. 3-12 зображені часові діаграми, що пояснюють роботу запропонованого пристрою з однією підвищувальною коміркою (N=1): Фіг. 3 - сигнал на керуючому вході ключа 7; Фіг. 4 - струм дроселя 4; Фіг. 5 - напруга на дроселі 4; Фіг. 6 - струм керованого ключа 7; Фіг. 7 - струм в дроселі 13 і діоді 14; Фіг. 8 - напруга на дроселі 13; Фіг. 9 - струм в проміжному конденсаторі 16; Фіг. 10 - напруга на проміжному конденсаторі 16; Фіг. 11 - струм діода 15; Фіг. 12 - струм діода 5. На фіг. 13 зображені графічні залежності коефіцієнта перетворення пристрою М від відносної тривалості імпульсів D струму ключа 7 при різній кількості підвищувальних комірок N=1,2,3. Робота елементів схеми підвищувальних комірок в запропонованому пристрої (фіг. 2) виконується однаковим чином, що дозволяє розглянути процес перетворення з використанням тільки однієї підвищувальної комірки 8(1). Також для спрощення умовно припускаємо, що елементи пристрою: ключ, діоди, дроселі і конденсатори мають ідеальні характеристики. Робота запропонованого перетворювача (фіг. 2) відбувається наступним чином. 2 UA 102342 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 У момент часу t0 керуючий сигнал (фіг. 3) замикає керований ключ 7 і цим активізує початок процесу накопичення енергії в дроселі 4 наростаючим струмом (фіг. 4). На цей момент фільтруючі конденсатори 6, 12 є зарядженими на попередніх циклах комутації до напруг, відповідно, UC6, UC12. На інтервалі часу (t0-t1) до дроселя 4 докладена вхідна напруга перетворювача Е (фіг. 5), а його струм замикається по ланцюгу: вивід подачі живлення 1, дросель 4, керований ключ 7, загальний вивід 2. Діод 5 закритий зворотною напругою U C6, докладеною до нього від фільтруючого конденсатора 6. Одночасно при відкриванні ключа 7 в результаті виникнення різниці потенціалів на раніш частково розрядженому проміжному конденсаторі 16 (фіг. 10) і фільтруючому конденсаторі 6 до резонансного дроселя 13 через діод 14 прикладається напруга (фіг. 8). Вона утворює струм резонансного дроселя 13 (фіг. 7) і резонансного заряду проміжного конденсатора 16 (фіг. 9) від фільтруючого конденсатора 6. Цей струм замикається по ланцюгу: позитивний вивід фільтруючого конденсатора 6, резонансний дросель 13, діод 14, проміжний конденсатор 16, відкритий ключ 7, загальний вивід 2. Струм резонансного заряду має вигляд напівхвилі коливання (фіг.9), тривалість якої залежить від індуктивності L13 дроселя 13 і ємності С16 конденсатора 16 по формулі: t r    L13  C16 . Оптимальним вибором значень параметрів L13, С16 є умова рівної тривалості резонансного заряду tr та інтервалу (t0-t1). В процесі резонансного заряду напруга на проміжному конденсаторі 16 (фіг. 10) збільшується від значення меншого відносно напруги U C6 на фільтруючому конденсаторі 6 до значення більшого, ніж остання. На стадії (t0-t1) струм, що протікає через ключ 7 (фіг. 6), є сумою струмів дроселя 4 (фіг. 4) і резонансного заряду проміжного конденсатора 16 (фіг. 9). В цей час діод 15 закритий зворотною напругою, докладеною до нього від фільтруючого конденсатора 12. З моменту часу t1 керуючий сигнал (фіг. 3) вимикає ключ 7 і спадаючим струмом дроселя 4 (фіг. 4) заряджається фільтруючий конденсатор 12 по ланцюгу: вивід подачі живлення 1, дросель 4, проміжний конденсатор 16 (фіг. 9), діод 15 в провідному стані (фіг. 11), фільтруючий конденсатор 12, перший фільтруючий конденсатор 6 та загальний вивід 2. При цьому діод 5 виявляється закритим, тому що напруга на проміжному конденсаторі 16 (фіг. 10) дещо більша за напругу на фільтруючому конденсаторі 12. Із плином часу на інтервалі (t1-t2) відбувається розряд проміжного конденсатора 16 і спад напруги на ньому (фіг. 10). Коли напруга на проміжному конденсаторі 16 в момент часу t 2 досягне значення, яке дорівнює напрузі UC12 на фільтруючому конденсаторі 12, струм в ланцюжку проміжний конденсатор 16 (фіг. 9) - діод 15 (фіг. 11) спрямовується до нуля. З цього моменту струм дроселя 4 починає протікати через діод 5 (фіг. 12) до фільтруючого конденсатора 6 і заряджає останній на протязі інтервалу (t2-t3). Як видно з часової діаграми (фіг. 10), середнє значення напруги на проміжному конденсаторі 16 на інтервалі (t0-t1) дорівнює UC6, а на інтервалі (t2-t3) - напрузі UC12. Це означає, що на кожному періоді комутації проміжний конденсатор 16 виконує функцію передачі напруги UC6 від фільтруючого конденсатора 6 до фільтруючого конденсатора 12, напруга якого U C12 є вихідною напругою підвищувальної комірки. В зв'язку з тим, що вихідні виводи 10,11 підвищувальних комірок з'єднані послідовно, вихідна напруга перетворювача U0 складається з напруги UC6 на фільтруючому конденсаторі 6 і окремих напруг UC12 на N фільтруючих конденсаторах 12 в вигляді суми: U0  UC6  UC12(1)  UC12(2)  ...  UC12(N) (1) Враховуючи, що теоретично напруга на вихідних виводах 10,11 кожної підвищувальної комірки, тобто на конденсаторах 12 дорівнює UC12=UC6, вираз (1) приймає вигляд: (2) U0  UC6  N  UC6  UC6  (1  N) З вольт-секундного балансу дроселя 4 (фіг. 5) в режимі безперервного струму: E  D  T  (UC6  E)  (1  D)  T , маємо вираз напруги UC6: E , (3) UC 6  1 D де D - відносна тривалість стадії накопичення енергії в дроселі 4. Після підстановки виразу (3) в (2) отримаємо коефіцієнт перетворення М запропонованого пристрою: 3 UA 102342 U U0 1  N (4).  E 1 D На фіг. 13 зображені графічні залежності коефіцієнта перетворення М по виразу (4) від відносної тривалості D при різній кількості підвищувальних комірок N. З цих залежностей видно, що з нарощуванням кількості підвищувальних комірок N=1,2,3 зростає коефіцієнт перетворення М і при D=0,8 складає, відповідно, М=10,15,20. Використовуючи ці залежності можливо визначити кількість підвищувальних комірок, необхідних для отримання заданого коефіцієнта перетворення запропонованого пристрою. Експериментальний зразок запропонованого перетворювача постійної напруги з однією підвищувальною коміркою було виготовлено на Науково-виробничому підприємстві "Імпульс" (м. Запоріжжя). Проведено випробування зразка потужністю Ро=1000Вт з перетворюванням вхідної постійної напруги Е=80В в вихідну U0=400B/Io=2,5A (M=U0/E=5). В перетворювачі використані елементи з параметрами: транзисторний ключ - Uds=250B, Rds=17,5MOM; проміжний конденсатор - 3,3 мкФ; резонансний дросель - 6 мкГ. Реально виміряний ККД запропонованого перетворювача складав 96,5 % і є збільшеним в порівнянні з найближчим аналогом, в якому досягнутий ККД при рівній потужності в навантаженні складав 95,6 % [2]. Таким чином, випробування експериментального зразка перетворювача підтвердили працездатність запропонованої схеми (фіг. 2) та вказані переваги у порівнянні з найближчим аналогом. Джерела інформації: 1. Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. - М.: Техносфера, 2005.632с. (Рис. 1.10 на с.235). 2. Van-Tsai Liu. An Efficient Step-Up Converter with a Low Switch Stress // International Journal of Engineering and Technology Innovation, vol. 2, no.4,2012, pp. 01-16. (Fig. 3). M 5 10 15 20 25 30 35 40 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Перетворювач постійного струму з множенням напруги, що складається з виводу подачі живлення, загального виводу і виводу навантаження, дроселя, одним виводом підключеного до виводу подачі живлення, іншим виводом через діод в провідному напрямку - до позитивного виводу першого фільтруючого конденсатора, негативний вивід якого з'єднаний з загальним виводом, керованого ключа, першим виводом підключеного до точки з'єднання дроселя і діода, а другим - до загального виводу, та N підвищувальних комірок, кожна з яких має вхідний вивід і два вихідні негативний та позитивний виводи, між якими приєднаний фільтруючий конденсатор, два послідовно з'єднаних діоди, перший вільний вивід провідного напрямку яких підключено до позитивного вихідного виводу, а точка їх з'єднання через проміжний конденсатор - до вхідного виводу, причому вихідні виводи комірок з'єднані послідовно в односпрямованій полярності в ланцюг, негативним кінцем підключений до позитивного виводу першого фільтруючого конденсатора, а позитивним - до виводу навантаження перетворювача, який відрізняється тим, що в кожну з N підвищувальних комірок додатково введено резонансний дросель, одним кінцем підключений до другого вільного виводу двох послідовно з'єднаних діодів, а іншим - до негативного вихідного виводу, при цьому всі вхідні виводи комірок підключені до першого виводу керованого ключа. 4 UA 102342 U 5 UA 102342 U Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6