Преобразователь напряжения

Настоящая полезная модель относится к электротехнике, в частности к устройствам преобразования входной энергии постоянного тока в энергию постоянного тока.

Основной задачей, на решение которой направлена полезная модель, является создание преобразователя электрической энергии постоянного напряжения в постоянное с обеспечением мягкого переключения транзисторов, у которого отсутствуют всплески выделяемой на кристалле транзистора мощности в моменты включения и выключения транзистора.

Преобразователь напряжения

Техническим результатом является повышение коэффициента полезного действия посредством уменьшения динамических потерь, а также повышение надежности, и, как следствие, увеличение срока службы преобразователя.

1 н.п.ф., 1 з.п.ф., 2 илл.

Заявляемая полезная модель относится к электротехнике, в частности к устройствам преобразования входной энергии постоянного тока в энергию постоянного тока.

Преобразователь напряжения широко используются в таких устройствах как: источники питания светодиодного освещения, сварочные аппараты инверторного типа; зарядные устройства аккумуляторных батарей; зарядные устройства емкостных накопителей энергии, а так же в технологических источниках питания, нагрузка которых может изменяться в широких пределах.

Известен преобразователь однофазного переменного напряжения в постоянное инвертирующего типа с корректором коэффициента мощности [1], включающий входной выпрямитель, датчик тока, транзистор, дроссель и отсекающий диод с конденсатором, параллельно которому подключены нагрузка и датчик выходного напряжения, а также схему управления с источником задающего напряжения, выход которого подключен к одному входу схемы сравнения, другой вход которой соединен с выходом датчика выходного напряжения, а выход схемы сравнения через корректирующее устройство и интегратор с тактирующим входом подключен к одному из входов компаратора, выход которого подключен к счетному входу триггера, тактирующий вход которого соединен с выходом задающего генератора, а прямой выход триггера через драйвер подключен к затвору транзистора, инверсный выход задающего генератора связан с тактирующим входом интегратора, где дополнительно введены датчик выпрямленного напряжения сети и второе корректирующее устройство, включенное между выходом первой схемы сравнения и входом компаратора, вторая схема сравнения выполнена трехвходовой, к которым подключены выходы обоих датчиков напряжения, и источника задающего напряжения, выход через корректирующее устройство связан с входом интегратора и одним из входов первой схемы сравнения, а тактирующий вход интегратора соединен с выходом задающего генератора, причем к положительному выводу выпрямителя подключен сток транзистора, исток которого через дроссель и датчик тока соединен с его отрицательным выводом, а параллельно дросселю подключена цепь из последовательно соединенных конденсатора и отсекающего диода.

Недостатком известного преобразователя является потребление из сети импульсного тока.

Известен преобразователь [2], включающий силовой транзистор, входной выпрямитель с датчиками тока, положительный вывод выпрямителя связан с последовательно соединенными дросселем, отсекающим диодом и конденсатором выходного фильтра, параллельно которому подключен датчик выходного напряжения, сток силового транзистора подключен к общей точке дросселя и отсекающего диода, а его исток связан с отрицательным выводом выпрямителя, а также схему управления с источником задающего напряжения, выход которого подключен к одному входу схемы сравнения, другой вход которой соединен с выходом датчика выходного напряжения, а выход схемы сравнения через корректирующее устройство подключен к входу интегратора с тактирующим входом и к одному из входов второй схемы сравнения напряжения корректирующего устройства с выходным сигналом датчика тока, выход которого вместе с выходом компаратора подключены к входам компаратора, а инверсный выход триггера связан с тактирующим входом интегратора.

Недостатки данного преобразователя связаны с невозможностью ограничения тока в режимах перегрузок и коротких замыканий нагрузки.

Известен преобразователь постоянного напряжения в постоянное повышающего типа [3], принятый за прототип, включающий дроссель, транзистор, диод, входной и выходной конденсаторы, выводы которых образуют входные и выходные выводы преобразователя соответственно, отрицательные обкладки конденсаторов объединены и образуют общую шину преобразователя к которой подключен исток транзистора, сток которого соединен с анодом диода и одним из выводов дросселя, другой его вывод соединен с положительной обкладкой входного конденсатора, а катод диода подключен к положительной обкладке выходного конденсатора и схему управления с ШИМ контроллером и драйвером, вход которого подключен к одному из выходов контроллера, а выход к затвору транзистора, достоинством которого являются сглаженный потребляемый ток, возможность регулирования выходного напряжения выше входного, а к недостаткам относится неоправданно высокое значение динамических потерь, связанное с тем, что к моменту включения транзистора, его емкость заряжена до уровня выходного напряжения и при включении транзистора эта емкость разряжается импульсным током в десятки раз превышающем номинальное значение тока стока. Кроме того, дополнительно в этот же момент транзистор нагружается еще и обратным током выключающегося диода по цепи: положительная обкладка конденсатора, диод, транзистор, отрицательная обкладка выходного конденсатора. Суммарное значение этого импульсного тока сопровождается выделением на кристалле транзистора мощности в десятки киловатт за доли микросекунды, что приводит к постепенной деградации кристалла и, как следствие, к сокращению срока службы преобразователя. Снижение динамических нагрузок на кристалл транзистора достигается включением в схему снабберных RC или RLC цепей, что приводит к снижению коэффициента полезного действия или использованием квазирезонансных схем, однако, в этом случае регулирование выходного напряжения возможно только изменением частоты преобразования, что сопровождается изменением качества фильтрации и повышенными требованиями к частотным свойствам полупроводниковых приборов, материалу сердечников дросселей и потерям в конденсаторах.

Основной задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание преобразователя электрической энергии постоянного напряжения в постоянное с обеспечением мягкого переключения транзисторов, у которого отсутствуют всплески выделяемой на кристалле транзистора мощности в моменты включения и выключения транзистора.

Техническим результатом является повышение коэффициента полезного действия посредством уменьшения динамических потерь, а также повышение надежности, и, как следствие, увеличение срока службы преобразователя.

Поставленная задача достигается тем, что преобразователь напряжения, включающий дроссель, транзистор, диод, входной и выходной конденсаторы, выводы которых образуют входные и выходные выводы преобразователя соответственно, отрицательные обкладки конденсаторов объединены и образуют общую шину преобразователя, к которой подключен исток транзистора, сток которого соединен с анодом диода и одним из выводов дросселя, другой вывод которого соединен с положительной обкладкой входного конденсатора, а катод диода подключен к положительной обкладке выходного конденсатора, и схему управления, -выходом подключенную к затвору транзистора, дополнительно содержит второй дроссель, коммутирующий дроссель, второй диод и второй транзистор, исток которого подключен к общей шине преобразователя, а сток соединен с анодом второго диода и одним из выводов второго дросселя, другой вывод которого соединен с положительной обкладкой входного конденсатора, а катод диода подключен к положительной обкладке выходного конденсатора, причем стоки транзисторов соединены через коммутирующий дроссель, при этом схема управления включает второй выход, подключенный к затвору второго транзистора.

Оптимально, чтобы схема управления содержала ШИМ контроллер, выходами подключенный к драйверам, выходы которых образуют выходы схемы управления.

На фиг.1 приведена схема преобразователя напряжения, на фиг.2, приведены временные диаграммы, поясняющие принцип работы схемы.

Преобразователь напряжения содержит дроссель 1, транзистор 2, диод 3, входной 4 и выходной 5 конденсаторы, выводы которых образуют входные и выходные выводы преобразователя напряжения соответственно, отрицательные обкладки конденсаторов 4,5 объединены и образуют общую шину преобразователя напряжения, к которой подключен исток транзистора 2, сток которого соединен с анодом диода 3 и одним из выводов дросселя 1, другой вывод которого соединен с положительной обкладкой входного конденсатора 4, а катод диода 3 подключен к положительной обкладке выходного конденсатора 5. Преобразователь напряжения содержит также схему управления 6 с ШИМ контроллером 7 и первым драйвером 8, вход которого подключен к одному из выходов контроллера 7, а выход - к затвору транзистора 2, второй драйвер 9, входом подключенный к выходу ШИМ контроллера 7, второй дроссель 10 и коммутирующий дроссель 11, второй диод 12 и второй транзистор 13, исток которого также подключен к общей шине преобразователя напряжения, а сток соединен с анодом второго диода 12 и одним из выводов второго дросселя 10, другой вывод которого соединен с положительной обкладкой входного конденсатора 4, а катод диода 12 подключен к положительной обкладке выходного конденсатора 5, причем стоки транзисторов 2, 13 соединены через коммутирующий дроссель 11, а затвор второго транзистора 13 подключен к выходу второго драйвера 9.

На фит.2 приняты следующие обозначения: 14 - напряжение управления транзистором 2; 15 - напряжение управления транзистором 13; 16, 17 - ток дросселя 1 и 10 соответственно; 18 - ток, потребляемый от источника питания; 19 - ток коммутирующего дросселя 11; 20 и 21 потенциал и ток стока транзистора 2 соответственно; 22 и 23 - потенциал и ток стока транзистора 13 соответственно.

Преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение работает следующим образом.

В установившемся режиме работы преобразователя в момент времени t₁ выключается транзистор 13 и в момент времени t₂ включается транзистор 2 по сигналам ШИМ контроллера под действием выходных напряжений 14, 15 драйверов 8 и 9 соответственно. После выключения транзистора 13 полярность напряжения на дросселе 10 изменяется на противоположную и открывается диод 12, и накопленная энергия передается в конденсатор фильтра 5 и нагрузку. Ток 16 дросселя 1 начинает нарастать, а ток 17 дросселя 10 спадает. В следующем интервале времени t₃-t₅ выключается транзистор 2 и через открывшийся диод 3 накопленная на предыдущем интервале времени энергия дросселя 1 отдается в конденсатор и нагрузку, а транзистор 13 включается и дроссель 10 переходит в режим накопления энергии. Суммарный ток дросселей 1,10 представляет собой потребляемый от источника питания ток 18, пульсации которого в несколько раз ниже пульсаций токов 16, 17 дросселей. Аналогично суммируются токи диодов 3 и 12 и определяют частоту и величину пульсаций тока нагрузки и тока конденсатора фильтра 5.

В интервале времени t₂-t₃ оба транзистора выключены, питание нагрузки обеспечивается энергией конденсатора фильтра 5.

Процессы мягкого включения транзисторов обеспечиваются током перезаряда 19 коммутирующего дросселя 11 и протекают следующим образом. К концу интервала выключенного состояния, например транзистора 13, ток 17 дросселя 10 снижается, а ток 19 коммутирующего дросселя 11 возрастает и, когда эти токи сравняются, запирается диод 12 и ток 19 коммутирующего дросселя 11 продолжает протекать теперь уже через открытый транзистор 2, паразитную емкость транзистора 13, снижая потенциал стока 20 до нулевого значения и далее до напряжения отпирания встроенного в транзистор обратного диода. При включении транзистора 13 обратный ток через встроенный диод будет протекать до тех пор, пока ток 19 коммутирующего дросселя 11, снижаясь, вновь не сравняется с током 17 дросселя 10. В противотактном транзисторе 12 процессы включения протекают аналогично рассмотренным.

Таким образом, к моменту включения транзисторов 2 и 13 потенциалы 20 и 22 стока этих транзисторов спадают до нуля и через обратные встроенные диоды еще протекает отрицательный ток в направлении исток-сток, что приводит к тому, что в момент включения рассеиваемая на кристалле транзистора мощность равна нулю. В момент выключения транзисторов в предлагаемом преобразователе и в схеме прототипа динамическая мощность на транзисторах сравнима по порядку и находится на уровне статической рассеиваемой мощности.

Из вышесказанного следует достижение указанного в описании технического результата.

Благодаря заявленным преимуществам предлагаемый преобразователь характеризуется на один-два порядка меньшими динамическими потерями в момент включения транзисторов.

Таким образом, предлагаемый преобразователь напряжения обеспечивает повышение коэффициента полезного действия путем уменьшения динамических потерь при переключении транзисторов, что улучшает надежность и срок службы преобразователя напряжения.

Список литературы

1. Пат. РФ 92261. МПК H02M 9/06. Преобразователь однофазного переменного напряжения в постоянное с корректором коэффициента мощности / К.В.Бородин, С.Г.Михальченко (Государственное образовательное учреждение ТУСУР). Опубл.: 10.03.2010. Бюл. 7.

2. Smith, M. PWM Controller with Jne-Cycle Response / M. Smith, K.Smedley // US Patent 6,084,450

3. Сивернс Р., Блум Г. Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания: Пер. с англ. под ред. Л.Е.Смольникова. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 294 с: ил, стр.14 рис.1.4.

1. Преобразователь напряжения, включающий дроссель, транзистор, диод, входной и выходной конденсаторы, выводы которых образуют входные и выходные выводы преобразователя соответственно, отрицательные обкладки конденсаторов объединены и образуют общую шину преобразователя, к которой подключен исток транзистора, сток которого соединен с анодом диода и одним из выводов дросселя, другой вывод которого соединен с положительной обкладкой входного конденсатора, а катод диода подключен к положительной обкладке выходного конденсатора, и схему управления, выходом подключенную к затвору транзистора, отличающийся тем, что он дополнительно содержит второй дроссель, коммутирующий дроссель, второй диод и второй транзистор, исток которого подключен к общей шине преобразователя, а сток соединен с анодом второго диода и одним из выводов второго дросселя, другой вывод которого соединен с положительной обкладкой входного конденсатора, а катод диода подключен к положительной обкладке выходного конденсатора, причем стоки транзисторов соединены через коммутирующий дроссель, при этом схема управления включает второй выход, подключенный к затвору второго транзистора.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что схема управления содержит ШИМ-контроллер, выходами подключенный к драйверам, выходы которых образуют выходы схемы управления.