Перетворювач постійної напруги підвищувальний

Реферат: UA 99261 U UA 99261 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 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, 2], 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 [1], оскільки цьому відповідають близькі до одиниці значення коефіцієнта заповнення D , при яких різко зростають втрати потужності в елементах схеми і знижується ККД [2]. Для досягнення великих значень коефіцієнта перетворення (M  10  30) використовують каскадне послідовне з'єднання двох однакових класичних перетворювачів, які утворюють єдиний двоступеневий перетворювач [3, 4]. Такий перетворювач (фіг. 1) є найближчим аналогом. Він містить вхідний Vin і вихідний Vout виводи для підключення, відповідно, джерела живлення і навантаження відносно загального виводу. Між вхідним Vin і вихідним Vout виводами встановлені два послідовно з'єднані ступені перетворювання Stage1, Stage2, кожен з яких складається з керованого ключа S1(S2), послідовно з'єднаних дроселя L1(L2) і діода D1(D2) та конденсатора С1(С2). Вільні виводи дроселя L1(L2) і діода D1(D2) є, відповідно, вхідними та вихідними виводами кожного ступеня. Керований ключ S1(S2), одним виводом підключений до точки з'єднання дроселя L1(L2) і діода D1(D2), а другим виводом - до загального виводу. Конденсатор С1(С2) підключений між вихідним і загальним виводами. Відомий перетворювач напруги має можливості досягати збільшених значень загального коефіцієнта перетворення M  1/(1  D1)  (1  D2 ) , тому що він є результатом перемноження коефіцієнтів перетворення першого і другого ступенів. Але недоліком цього пристрою є збільшені втрати потужності, які обумовлені розміщенням дроселя L1 першого ступеня перетворення в колі між вхідними Vin і вихідними Vout виводами. Завдяки цьому струм споживання другого ступеня протікаючи по дроселю викликає в ньому додаткові втрати потужності. Задачею корисної моделі є виведення дроселя першого ступеня з кола протікання струму другого ступеня і завдяки цьому зниження втрат потужності в перетворювачі. Поставлена задача вирішується тим, що перетворювач постійної напруги підвищувальний складається з двох ступенів перетворення, причому вхідний вивід першого ступеня є входом перетворювача, вихідній вивід з'єднаний з вхідним виводом другого ступеня, вихідний вивід якого є виходом перетворювача, загальні виводи обох ступенів з'єднані із загальним виводом перетворювача, другий ступінь містить послідовно з'єднані дросель і діод, підключені, відповідно, між його вхідним і вихідним виводами, керований ключ, підключений між загальним виводом і точкою з'єднання дроселя і діода, та конденсатор, підключений між вихідним і загальним виводами ступеня, згідно з корисною моделлю, перший ступінь містить послідовно з'єднані керований ключ і дросель, підключені, відповідно, між його вхідним і загальним виводами, діод, підключений між вхідним і вихідним виводами ступеня в напрямку провідного стану та конденсатор, одним виводом з'єднаний з вихідним виводом ступеня, а другим - з точкою з'єднання керованого ключа і дроселя. Технічний результат в запропонованому перетворювачі полягає в зниженню струму в дроселі першого ступеня перетворення завдяки його розміщенню поза кола протікання струму споживання другого ступеня. Це зменшує втрати потужності в дроселі і його масо-габаритні показники. Запропонований перетворювач (фіг. 2) складається з першого 1 і другого 2 ступенів перетворення. Вхідний вивід 3 першого ступеня 1 є входом перетворювача. Вихідній вивід 4 цього ступеня з'єднаний з вхідним виводом 5 другого ступеня 2, вихідний вивід 6 якого є виходом перетворювача. Загальні виводи 7 обох ступенів з'єднані із загальним виводом перетворювача. 1 UA 99261 U 5 10 15 20 25 30 Другий ступінь 2 перетворення містить дросель 8, діод 9, керований ключ 10 та конденсатор 11. Послідовно з'єднані дросель 8 і діод 9 підключені, відповідно, між вхідним 5 і вихідним 6 виводами другого ступеня 2. Керований ключ 10, підключений між загальним виводом 7 і точкою з'єднання дроселя 8 і діода 9. Конденсатор 11, підключений між вихідним 5 і загальним 7 виводами ступеня. Перший ступінь 1 перетворення містить керований ключ 12, дросель 13, діод 14 та конденсатор 15. Послідовно з'єднані керований ключ 12 і дросель 13, підключені, відповідно, між його вхідним 3 і загальним 7 виводами ступеня. Діод 14, підключений між вхідним 3 і вихідним 4 виводами ступеня в напрямку його провідного стану. Конденсатор 15 з'єднаний одним виводом з вихідним виводом 4 ступеня, а другим - з точкою з'єднання керованого ключа 12 і дроселя 13. На фіг. 1 зображена схема пристрою, що використовується як найближчий аналог. На фіг. 2 зображена схема запропонованого пристрою. На фіг. 3-12 зображені часові діаграми, що пояснюють роботу запропонованого пристрою: Фіг. 3 - сигнал на керуючому вході ключа 12; Фіг. 4 - сигнал на керуючому вході ключа 10; Фіг. 5 - струм дроселя 13; Фіг. 6 - струм дроселя 8; Фіг. 7 - напруга на дроселі 13; Фіг. 8 - напруга на дроселі 8; Фіг. 9 - струм керованого ключа 12; Фіг. 10 - струм керованого ключа 10; Фіг. 11 - струм діода 14; Фіг. 12 - струм діода 9. На Фіг. 13 зображені графічні залежності відносного струму дроселя першого ступеня від коефіцієнта перетворення M : суцільна лінія - струм дроселя 13 в запропонованому пристрої; штрихова лінія - струм дроселя L1 в найближчому аналозі. Робота запропонованого перетворювача (фіг. 2) можлива в трьох режимах управління параметрами: 1) D1  D2 , 2) D1  D2 і 3) D1  D2 . Перші два режими є загальними, а третій займає граничну позицію між першими двома. Теоретичний аналіз показав, що найближчі до найменших значень сумарних втрат потужності в ключах 12 і 10 при використанні як таких сучасних MOSFET транзисторів досягаються коли D1  D2 і тому такий режим керування є оптимальним. Розглянемо роботу запропонованого пристрою (фіг. 2) в режимі синхронного керування 35 ключами 12 і 10, тобто при D1  D2  D . Керуючи сигнали з коефіцієнтами заповнення імпульсів D1  D2  D (фіг. 3, 4) вмикають та вимикають відповідні керовані ключ 12, 10 і виконують регулювання тривалості імпульсів струму D-T цих ключів для підтримки заданого значення напруги на вихідному виводі 6. 40 У момент часу t 0 керуючі сигнали (фіг. 3, 4) замикають керовані ключі 12, 10 і цим активізують процеси накопичення енергії в дроселях 13, 8 наростаючими струмами (фіг. 5, 6). На цей момент є зарядженими на попередніх циклах комутації: конденсатор 15 до напруги UC , а конденсатор 11 до напруги U0 . На інтервалі часу (t 0  t1) до дроселя 13 докладена вхідна напруга перетворювача E (фіг. 7), а його струм замикається по ланцюгу: вхідний вивід першого ступеня 3, ключ 12, дросель 13, 45 загальний вивід 7. Діод 14 закритий зворотною напругою UC , докладеною до нього від конденсатора 15. До дроселя 8 у цей інтервал часу докладена підсумована напруга (UC  E) (фіг. 8), що 50 складається з напруги UC на конденсаторі 15 і вхідної напруги E . Струм дроселя 8 замикається по ланцюгу: вхідний вивід першого ступеня 3, ключ 12, конденсатор 15, дросель 8, ключ 10, загальний вивід 7. На цій стадії конденсатор 15 піддається розряду наростаючим струмом дроселя 8, а діод 9 закритий зворотною напругою U0 , докладеною до нього від конденсатора 11. Через ключ 12 протікає сума струмів дроселів 13 і 8 (фіг. 9), а через ключ 10 - тільки струм дроселя 8 (фіг. 10). 2 UA 99261 U З моменту часу t1 керуючий сигнал (фіг. 3) вимикає керований ключ 12 і спадаючим струмом дроселя 13 (фіг. 5) заряджається конденсатор 15 по ланцюгу: вхідний вивід першого ступеня 3, діод 14 в провідному стані, конденсатор 15, дросель 13, загальний вивід 7. При цьому на інтервалі часу (t1  t 2 ) дросель 13 змінює полярність напруги, яка дорівнює різниці 5 (UC  E) (фіг. 7), а через діод 14 протікає сума струмів дроселів 13 і 8 (фіг. 11). Також з моменту часу t1 керуючий сигнал (фіг. 4) вимикає керований ключ 10 і спадаючим струмом дроселя 8 (фіг. 6) заряджається конденсатор 11 по ланцюгу: вхідний вивід першого ступеня 3, діод 14 в провідному стані, дросель 8, діод 9 в провідному стані, конденсатор 11, загальний вивід 7. 10 При цьому на інтервалі часу (t1  t 2 ) дросель 8 змінює полярність напруги, яка дорівнює різниці (U0  E) (фіг. 8), а через діод 9 до вихідного виводу 6 протікає струм дроселя 8 (фіг. 12). В режимі розрізненого керування ключами 12, 10 рівняння вольт-секундного балансу дроселів 8, 13 для безперервного струму у них визначається: при D1  D2 15 для дроселя 13: E  D1  (UC  E)  (1 D1) (1) для дроселя 8: (E  UC )  D1  E  (D2  D1)  (U0  E)  (1 D2 ) при D1  D2 для дроселя 13: E  D1  (UC  E)  (1 D1) (2) для дроселя 8: (E  UC )  D2  (U0  UC  E)  (D1  D2 )  (U0  E)  (1 D1) , 20 де E,U0 - вхідна і вихідна напруги на виводах 3, 6; UC - напруга на конденсаторі 15; D1,D2 - коефіцієнти заповнення імпульсів керування ключами 12, 10. Коефіцієнт перетворення M запропонованого перетворювача напруги, як відношення вихідної напруги U0 до вхідної E витікає з вирішення виразів (1) або (2): M 25 U0 1  E (1  D1 )  (1  D2 ) . (3) В випадку, коли D1  D2  D формула коефіцієнта перетворення (3) приймає вигляд: M 1 (1  D)2 . (4) Покажемо, що в запропонованому перетворювачі струм дроселя 13 першого ступеня значно менші, ніж струм аналогічного елемента в найближчому аналозі - дроселя L1. Вирази струмів 30 виведемо без урахування змінної складової пульсацій при умові, що D1  D2  D і коефіцієнт перетворення визначається виразом (4). Струм дроселя 13 є різницею між струмами споживання першого Iin1 і другого Iin2 ступенів перетворювання, які доречно представити через вихідний струм перетворювача I0 у вигляді виразу: 35 IL(13 )  Iin1  Iin2  I0  M  I0  M  I0  M   M  1 , (5) Струм дроселя L1 в найближчому аналозі є вхідним струмом перетворювача і тому він в M раз більше вихідного струму I0 : IL1  Iin1  I0  M . (6) 40 45 Графічні залежності по виразах (5), (6) наведені на фіг. 13 і демонструють знижений рівень струму дроселя 13 в усьому діапазоні значень M . Там же додатково конкретизовано, що при M  10 рівень знижки струму становить 46,4 %, а при M  25 - знижка струму 25 %. Запропонований перетворювач при рівній з найближчим аналогом кількості елементів схеми має відносно нього таку перевагу: знижується струм в дроселі першого ступеня перетворення теоретично на (25-46,4)% в діапазоні значень коефіцієнта перетворення M від 10 до 25 (фіг. 13), що зменшує втрати потужності в обмотці в квадратичній залежності, тобто на (56-114)%. 3 UA 99261 U 5 10 15 20 25 30 Експериментальні зразки запропонованого перетворювача постійної напруги були виготовлені на Науково-виробничому підприємстві "Імпульс" (м. Запоріжжя). Проведено випробування зразка при перетворюванні вхідної постійної напруги 12 В в вихідну 350 В з потужністю 500 Вт, які підтвердили працездатність запропонованої схеми (фіг. 2) та вказані переваги відносно найближчого аналога. Джерела інформації: 1. Семенов Б.Ю.Силовая электроника для любителей и профессионалов. - М.: Солон-Р, 2001. - 327с.(Рис.10.4, с. 167-179) 2. Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. - М.: Техносфера, 2005. 632с. (Рис. 11.10 на с.235). 3. Muhammad Aamir, Mahmood Younas Shinwari. Design, Implementation and Experimental Analysis of Two-Stage Boost Converter for Grid Connected Photovoltaic System //2010 IEEE pp. 194199. (Fig.l, p. 195). 4. Zhao, Qun; Tao, Fengfeng; Hu, Yongxuan; Lee, Fred C. A. Comparison Study of High Step-up DC/DC // Converters Center for Power Electronics Systems (CPES) Seminar 2001: Blacksburg, VA (04/23/01) pp. 191-196 (Fig.3, p. l92). ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Перетворювач постійної напруги підвищувальний, що складається з двох ступенів перетворення, причому вхідний вивід першого ступеня є входом перетворювача, вихідній вивід з'єднаний з вхідним виводом другого ступеня, вихідний вивід якого є виходом перетворювача, загальні виводи обох ступенів з'єднані із загальним виводом перетворювача, а другий ступінь містить послідовно з'єднані дросель і діод, підключені, відповідно, між його вхідним і вихідним виводами, керований ключ, підключений між загальним виводом і точкою з'єднання дроселя і діода, та конденсатор, підключений між вихідним і загальним виводами ступеня, який відрізняється тим, що перший ступінь містить послідовно з'єднані керований ключ і дросель, підключені, відповідно, між його вхідним і загальним виводами, діод, підключений між вхідним і вихідним виводами ступеня в напрямку провідного стану та конденсатор, одним виводом з'єднаний з вихідним виводом ступеня, а другим - з точкою з'єднання керованого ключа і дроселя. 4 UA 99261 U 5 UA 99261 U 6 UA 99261 U Комп’ютерна верстка І. Скворцова 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 7