Преобразователь напряжения постоянного тока

Полезная модель относится к преобразовательной технике и предназначена для формирования из входного напряжения постоянного тока напряжение другого уровня.

Преобразователь напряжения постоянного тока содержит трансформатор, начало первой обмотки которого образует входную положительную клемму преобразователя, а конец соединен с коллектором первого транзистора, анодом первого и катодом второго диодов, катод первого диода соединен с одним выводом первого конденсатора и образует выходную положительную клемму, другой вывод первого конденсатора соединен с эмиттером первого транзистора, анодом второго диода и образует входную и выходную отрицательные клеммы преобразователя, начало второй обмотки трансформатора через второй конденсатор подключено к эмиттеру второго транзистора и аноду третьего диода, катод которого и коллектор второго транзистора соединены с концом второй обмотки трансформатора, управляющие электроды первого и второго транзисторов образуют соответственно первый и второй управляющие входы преобразователя, эмиттер третьего транзистора подключен к аноду первого диода, коллектор - к его катоду, а управляющий электрод образует третий управляющий вход преобразователя, третий конденсатор подключен к входным клеммам преобразователя. В устройстве могут быть применены транзисторы выполнены PNP или IGBT типа.

Преобразователь защищен от перенапряжения и обеспечивает преобразование электрической энергии и в прямом и в обратном направлении. Это повышенает надежность и расширяет область применения преобразователя напряжения постоянного тока

3 илл.

Полезная модель относится к преобразовательной технике и предназначена для формирования из входного напряжения постоянного тока напряжение другого уровня.

Известно устройство для преобразования напряжения постоянного тока, содержащее последовательно соединенные входной дроссель с силовым транзистором и последовательно соединенные выходной силовой диод с накопительным конденсатором, который подключен к выходным клеммам (фиг.3б, RU 2214672).

Недостатками такого устройства являются низкий коэффициент полезного действия и малая надежность, обусловленные значительными коммутационными потерями мощности и перегревом, которые возникают во время закрытия силового транзистора при протекании по нему силового тока.

Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому устройству является преобразователь напряжения постоянного тока, содержащий трансформатор, начало первой обмотки которого образует входную положительную клемму преобразователя, а конец соединен с коллектором первого PNP транзистора, анодом первого и катодом второго диодов, катод первого диода соединен с одним выводом первого конденсатора и образует выходную положительную клемму, другой вывод первого конденсатора соединен с эмиттером первого PNP транзистора, анодом второго диода и образует входную и выходную отрицательные клеммы преобразователя, начало второй обмотки трансформатора через второй конденсатор подключено к эмиттеру второго PNP транзистора и аноду третьего диода, катод которого и коллектор второго PNP транзистора соединены с концом второй обмотки трансформатора, базы первого и второго PNP транзисторов образуют соответственно первый и второй управляющие входы преобразователя, (RU -92582.)

Недостатками указанного устройства являются отсутствие возможности преобразования электрической энергии в обратном направлении. Данное обстоятельство в свою очередь определяет малую надежность преобразователя вследствие отсутствия защиты преобразователя в случае возникновения перенапряжения и узкую область применения, связанную с преобразованием электрической энергии только в прямом направлении.

Технической задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является повышение надежности и расширение области применения преобразователя напряжения постоянного тока.

Для решения этой задачи предлагается преобразователь напряжения постоянного тока содержащий трансформатор, начало первой обмотки которого образует входную положительную клемму преобразователя, а конец соединен с коллектором первого транзистора, анодом первого и катодом второго диодов, катод первого диода соединен с одним выводом первого конденсатора и образует выходную положительную клемму, другой вывод первого конденсатора соединен с эмиттером первого транзистора, анодом второго диода и образует входную и выходную отрицательные клеммы преобразователя, начало второй обмотки трансформатора через второй конденсатор подключено к эмиттеру второго транзистора (PNP или IGBT типа) и аноду третьего диода, катод которого и коллектор второго транзистора (PNP или IGBT типа) соединены с концом второй обмотки трансформатора, управляющие электроды первого и второго транзисторов образуют соответственно первый и второй управляющие входы преобразователя, управляющий электрод третьего транзистора (PNP или IGBT типа), эмиттер которого подключен к аноду первого диода, коллектор - к его катоду, образует третий управляющий вход преобразователя, а третий конденсатор подключен к входным клеммам преобразователя.

Сущность предложения поясняется чертежами

На фигуре 1 обозначены:

Входные положительная 1 и отрицательная 2, выходные положительная 3 и отрицательная 4 клеммы преобразователя, первая 5 и вторая 6 обмотки трансформатора, первый 7, второй 8 и третий 9 транзисторы (PNP или IGBT типа), первый 10, второй 11 и третий 12 диоды, первый 13, второй 14, третий 15 конденсаторы, на фигуре 2 - временные диаграммы работы в прямом направлении, на фигуре 3 - в обратном направлении преобразования электрической энергии.

Преобразователь напряжения постоянного тока работает в прямом направлении преобразования электрической энергии следующим образом:

В момент времени t₀ на управляющий электрод первого транзистора 7 поступает сигнал управления (u_уэ7) (фиг.2), под действием которого он переходит в открытое состояние. Начинает протекать ток (i₅) по следующей электрической цепи:

- входная положительная клемма 1 - первая обмотка 5 трансформатора - открытый первый транзистор 7 - входная отрицательная клемма 2.

Одновременно на интервале времени от t₀ до t₁ происходит заряд второго конденсатора 14 по следующей электрической цепи:

- вторая обмотка 6 трансформатора - второй конденсатор 14 - третий диод 12.

В момент времени t₂, который определяется требуемым уровнем выходного напряжения, на управляющий электрод второго транзистора 8 поступает сигнал управления (u_уэ8 ), под действием которого он переходит в открытое состояние. Начинает протекать ток разряда второго конденсатора 14 по следующей электрической цепи:

- второй конденсатор 14 - открытый второй транзистор 8 - вторая обмотка 6 трансформатора.

В результате трансформирования тока второй обмотки 6 трансформатора в его первую обмотку 5 происходит снижение тока (i₅) ниже нулевого значения. При этом ток (i₅ ) начинает протекать в обратном направлении через второй диод 11, минуя первый транзистор 7.

После открытия второго диода 11, когда протекающий ток через первый транзистор 7 равен 0, снимают сигнал управления (u_уэ7) с его управляющего электрода. Благодаря этому первый транзистор 7 выключается при отсутствии тока, протекающего через его силовые электроды, что повышает надежность всего устройства.

В момент времени t₄ открывается первый диод 10 и ток (i ₁₀) под действием накопленной электромагнитной энергии трансформатора начинает протекать по следующей электрической цепи:

- входная положительная клемма 1 - первая обмотка 5 трансформатора, первый диод 10 - первый конденсатор 13, подключенная к выходным клеммам 3 и 4 нагрузка (не показана), входная отрицательная клемма 2.

После открытия первого диода 10, когда протекающий ток через второй транзистор 8 равен 0, снимают сигнал управления (u_уэ8) с его управляющего электрода. Благодаря этому второй транзистор 8 выключается при отсутствии тока, протекающего через его силовые электроды, что повышает надежность всего устройства.

В дальнейшем электрические процессы повторяются аналогичным образом с заданным периодом.

В обратном направлении преобразования электрической энергии от выходной положительной клеммы 3 к входной положительной клемме 1 преобразователь работает следующим образом:

В момент времени t₀ (фигура 3) подают управляющий сигнал (u_уэ9) на управляющий электрод третьего транзистора 9. В результате образуются два контура для протекания тока. В первом контуре ток (i₅) протекает от выходной положительной клеммы 3 через открытый третий транзистор 9, первую обмотку 5 трансформатора, третий конденсатор 15 и нагрузку (не показана). При этом в индуктивности первой обмотки 5 трансформатора происходит накопление электромагнитной энергии. Второй диод 11 заперт под воздействием приложенного к нему обратного напряжения между выходными клеммами 3 и 4.

В контуре, образованном второй обмоткой 6 трансформатора, вторым конденсатором 14 и открытым третьим диодом 12 начинается колебательный процесс, сопровождаемый разрядом и перезарядом второго конденсатора 14. При этом ток (i₆), протекающий через вторую обмотку 6 трансформатора возрастает, а затем спадает до нуля.

В момент времени t₁, когда второй конденсатор 14 заряжается до максимального значения напряжения (u₁₄), ток (i ₆) достигает нуля, а третий диод 12 переходит в непроводящее состояние.

На интервале от t₁ до t ₂ в схеме предлагаемого устройства происходит накопление в индуктивности первой обмотки 5 трансформатора электромагнитной энергии, поступающей от выходных клемм 3 и 4. Ток (i₅ ) протекает через контур, образованный открытым третьим транзистором 9, первой обмоткой 5 трансформатора, третьим конденсатором 15 и нагрузкой (не показана).

В момент времени t ₂ под воздействием управляющего сигнала (u_уэ8 ), поступающего на управляющий электрод второго транзистора 8, он отпирается и начинается вторая половина резонансного процесса, в результате которого происходит разряд и перезаряд второго конденсатора 14.

В момент времени t' входной ток меняет свой знак на противоположный, в результате чего отпирается первый диод 10.

После открытия первого диода 10, когда протекающий ток (i₉) через третий транзистор 9 равен 0, снимают сигнал управления с его управляющего электрода. Благодаря этому третий транзистор 9 выключается при отсутствии тока (i ₉), протекающего через его силовые электроды, что повышает надежность всего устройства.

В момент времени t₃ ток через первый диод 10 достигает нуля и он закрывается. В результате этого ток, накопленный в индуктивности трансформатора, протекает в контуре второй обмотки 6 трансформатора. При этом ток нагрузки поддерживается за счет запасенной в третьем конденсаторе 15 энергии электростатического поля.

В момент времени t₄ значение напряжения на втором конденсаторе 14 превышает напряжение - U_вых, в результате чего второй диод 11 переходит в состояние проводимости. Начинается процесс передачи накопленной в индуктивности первой обмотки 5 трансформатора электромагнитной энергии на входные клеммы 1 и 2 преобразователя. Ток (i₅) протекает через второй диод 11, первую обмотку 5 трансформатора, третий конденсатор 15 и нагрузку (не показана).

Одновременно происходит разряд второго конденсатора 14, длящийся до момента времени t''. В этот момент ток (i₆) второй обмотки 6 трансформатора меняет знак и начинает протекать через третий диод 12.

После открытия третьего диода 12, когда протекающий ток через второй транзистор 8 равен 0, снимают сигнал управления с его управляющего электрода. Благодаря этому второй транзистор 8 выключается при отсутствии тока, протекающего через его силовые электроды, что повышает надежность всего устройства.

В момент времени t₅ ток (i₆) второй обмотки 6 трансформатора спадает до нуля и третий диод 12 запирается.

Момент начала нового периода работы обозначен как t₆.

В дальнейшем электрические процессы повторяются аналогичным образом с заданным периодом.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет осуществлять преобразование электрической энергии в прямом и обратном направлении при малых коммутационных потерях в транзисторах, благодаря их выключению при нулевых токах, и соответственно обеспечивает защиту устройства при возникновении перенапряжения на конденсаторе, что повышает его надежность.

Предварительные испытания подтвердили возможность широкого промышленного внедрения предлагаемого преобразователя.

Хотя основные технические особенности и преимущества предложения подробно описаны посредством вышеприведенного предпочтительного варианта осуществления, очевидно, объем защиты полезной модели не ограничивается вышеописанным, а включает в себя разнообразные очевидные альтернативные схемы, в соответствии с вышеописанной концепцией.

1. Преобразователь напряжения постоянного тока, содержащий трансформатор, начало первой обмотки которого образует входную положительную клемму преобразователя, а конец соединен с коллектором первого транзистора, анодом первого и катодом второго диодов, катод первого диода соединен с одним выводом первого конденсатора и образует выходную положительную клемму, другой вывод первого конденсатора соединен с эмиттером первого транзистора, анодом второго диода и образует входную и выходную отрицательные клеммы преобразователя, начало второй обмотки трансформатора через второй конденсатор подключено к эмиттеру второго транзистора и аноду третьего диода, катод которого и коллектор второго транзистора соединены с концом второй обмотки трансформатора, управляющие электроды первого и второго транзисторов образуют соответственно первый и второй управляющие входы преобразователя, отличающийся тем, что в него введены третий конденсатор и третий транзистор, эмиттер которого подключен к аноду первого диода, коллектор - к его катоду, а управляющий электрод образует третий управляющий вход преобразователя, третий конденсатор подключен к входным клеммам преобразователя.

2. Преобразователь напряжения постоянного тока по п.1, отличающийся тем, что транзисторы выполнены PNP типа.

3. Преобразователь напряжения постоянного тока по п.1, отличающийся тем, что транзисторы выполнены IGBT типа.