Преобразователь

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к области силовой преобразовательной техники, и может быть использована во вторичных источниках питания при необходимости обеспечения большой выходной мощности, высокой надежности, гальванической развязки, стабилизации и быстрого изменения выходного постоянного напряжения или тока в пределах от нуля до максимального значения. Техническим результатом является повышение динамических характеристик и надежности преобразователей. Технический результат достигается тем, что в преобразователь, включающий в себя входной конденсатор; регулируемый стабилизатор тока, состоящий из ключевого элемента, диода, дросселя и датчика тока; мостовой преобразователь, имеющий четыре ключевых элемента, трансформатор, выпрямитель и выходной конденсатор; датчик выходного тока и схему управления, между входом мостового преобразователя, соединенным с выходом регулируемого стабилизатора тока, и точкой подключения входного напряжения преобразователя к входу регулируемого стабилизатора тока и входному конденсатору, установлен диод, а также на входе мостового преобразователя отсутствует конденсатор.

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к области силовой преобразовательной техники, и может быть использована во вторичных источниках питания при необходимости обеспечения большой выходной мощности, высокой надежности, гальванической развязки, стабилизации и быстрого изменения выходного постоянного напряжения или тока в пределах от нуля до максимального значения.

Известны обратно ходовые преобразователи, широко применяемые в устройствах для преобразования электрической энергии сети переменного тока в напряжения постоянного тока[1].

Недостатком таких преобразователей является низкий коэффициент полезного действия, а также сложность обеспечения регулировки выходного стабилизированного напряжения или тока от нулевого значения.

Известны полумостовые и мостовые преобразователи.

Недостатком последних являются низкие динамические характеристики, не высокая надежность и сложность схем управления [2, 3].

Наиболее близок к предлагаемому устройству преобразователь из постоянного напряжения в постоянное стабилизированное напряжение или ток [4], в котором последний недостаток частично устранен.

Прототип имеет следующие недостатки.

1. Низкие динамические характеристики.

2. Низкая надежность.

Цель полезной модели - повышение динамических характеристик и надежности преобразователей.

Указанная цель достигается тем, что в преобразователь, включающий в себя входной конденсатор; регулируемый стабилизатор тока, состоящий из ключевого элемента, диода, дросселя и датчика тока; мостовой преобразователь, имеющий четыре ключевых элемента, трансформатор, выпрямитель и выходной конденсатор; датчик выходного тока и схему управления, отличающийся тем, что на входе мостового преобразователя отсутствует конденсатор и между входом мостового преобразователя, соединенным с выходом регулируемого стабилизатора тока, и точкой подключения входного напряжения преобразователя к входу регулируемого стабилизатора тока и входному конденсатору, установлен диод.

На Фиг.1 показана упрощенная структурная схема преобразователя. Преобразователь (Фиг.1), включает в себя входной конденсатор 1; регулируемый стабилизатор тока 2, состоящий из ключевого элемента 3, диода 4, дросселя 5 и датчика тока 6; мостовой преобразователь 7, имеющий четыре ключевых элемента (8, 9, 10, 11), трансформатор 12, выпрямитель 13 и выходной конденсатор 14; датчик выходного тока 15 и схему управления 16, при этом, на входе мостового преобразователя 7 отсутствует конденсатор и между входом мостового преобразователя, соединенным с выходом регулируемого стабилизатора тока 2, и точкой подключения входного напряжения преобразователя к входу регулируемого стабилизатора тока 2 и входному конденсатору 1, установлен диод 17.

Работает преобразователь следующим образом. К входным клеммам (U_вх) обычно подключают выпрямитель (однофазный или трехфазный) сетевого напряжения через устройство, ограничивающее максимальную величину зарядного тока через конденсатор 1 при первоначальном включении, или через корректор коэффициента мощности. Кроме того, преобразователи работают от источников постоянного напряжения, таких как батареи аккумуляторов, различные генераторы, солнечные батареи и т.д.

С появлением напряжения на конденсаторе 1, включается маломощный источник питания (на Фиг.1 не показан) и на элементы схемы управления 16, поступают питающие напряжения.

Схема управления 16 вырабатывает сигнал рассогласования выходного напряжения (U_вых) или тока преобразователя с установленными величинами и путем изменения величины выходного тока регулируемого стабилизатора тока 2, увеличивает или уменьшает количество электрической энергии, поступающей в нагрузку. Величина выходного тока регулируемого стабилизатора тока 2 контролируется схемой управления 16 по мгновенному значению и может изменяться в пределах от нуля до определенного максимального значения.

Особенностью работы ключевых элементов (8, 9, 10, 11) мостового преобразователя 7 является то, что они переключают не полярность напряжения, подаваемого на первичную обмотку трансформатора 12, а направление тока.

В случае если допускается достаточно большая величина выходного конденсатора 14, регулируемый стабилизатор тока 2 может работать в режиме прерывистых токов. При этом динамические потери в ключевых элементах 3, 8, 9, 10 и 11 будут минимальны.

Транзисторы ключевых элементов (8, 9, 10 и 11) работают надежно при коротком замыкании на выходе преобразователя, насыщении сердечника трансформатора 12, коротком замыкании как вторичной, так и первичной обмоток трансформатора, различных неисправностях в трансформаторе и выпрямителе. Эта особенность значительно облегчает и удешевляет процесс изготовления предлагаемых преобразователей.

Если регулируемый стабилизатор тока работает в режиме непрерывных токов дросселя, после момента переключения транзисторов ключевых элементов, энергия, запасенная в индуктивностях рассеяния трансформатора, возвращается во входной конденсатор 1. При этом напряжение на входе мостового преобразователя повышается приблизительно до входного напряжения преобразователя и по диоду 17 протекает ток.

В качестве ключевых элементов используются полевые или IGBT транзисторы, имеющие внутренний обратный диод. При использовании биполярных силовых транзисторов необходимо устанавливать обратные диоды.

В большинстве аналогов, сброс тока нагрузки приводит к всплеску выходного напряжения преобразователя, что связано с переходом энергии из дросселя и индуктивностей рассеяния трансформатора в выходной конденсатор. Для уменьшения амплитуды всплеска в предлагаемом преобразователе, схема управления 16 одновременно замыкает ключевые элементы 10 и 11, а ключевые элементы 8 и 9 размыкает. Принципиальной разницы нет, если будут замыкаться ключевые элементы 8 и 9, а ключевые элементы 10 и 11 размыкаться. В результате этого, запасенная в дросселе 5 энергия возвращается в конденсатор 1, а энергия, запасенная в индуктивностях рассеяния первичной обмотки трансформатора 12, циркулируя по короткозамкнутому контуру, выделяется в виде тепла. Кроме того, в результате замыкания первичной обмотки трансформатора 12, уменьшается часть энергии, запасенной в индуктивностях рассеяния вторичной обмотки трансформатора 12, которая переходит в конденсатор 14.

Преимущества предлагаемого преобразователя заключаются в следующем.

1. Мощные импульсные регулируемые преобразователи, имеют недостаток, заключающийся в том, что при сбросе тока нагрузки, появляется всплеск выходного напряжения. Уменьшают величину этого всплеска до приемлемого значения обычно путем увеличения емкости выходного конденсатора.

Особенно остро эта проблема стоит в преобразователях с регулировкой выходного напряжения от нулевого значения, так как одна и та же энергия, добавленная в выходной конденсатор при минимальном и максимальном значениях напряжения на конденсаторе, дает кардинально отличающиеся величины всплеска выходного напряжения.

В предлагаемом преобразователе при сбросе тока нагрузки запасенная в дросселе энергия переходит в конденсатор на входе преобразователя и не вызывает всплеска выходного напряжения, поэтому по сравнению с прототипом преобразователь имеет более высокие динамические характеристики.

Можно утверждать, что преобразователь постоянного напряжения в постоянное прототипа [4] имеет на входе конденсатор, это приводит к снижению надежности, так как токи через транзисторы мостовой схемы могут превышать допустимые значения, например, при коротком замыкании на выходе. Если предположить, что на входе преобразователя постоянного напряжения в постоянное прототипа конденсатор отсутствует, то всплески напряжения на транзисторах мостовой схемы в процессе переключения могут превышать допустимые значения и в результате снижается надежность.

В предлагаемом преобразователе токи через ключевые элементы мостового преобразователя не могут превышать величину тока дросселя (если не учитывать токи на перезаряд конденсаторов исток - сток и т.д.), а напряжения на ключевых элементах не может быть существенно выше входного напряжения преобразователя. По этому, надежность предлагаемого преобразователя выше надежности прототипа.

Источники информации,

принятые во внимание при экспертизе

1. Data Sheet TOP242-250.

2. Data sheet LM5035.

3. ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НА IGBT ДЛЯ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА. Поляков В.Д., Чаколья Э. Международная научно-техническая конференция "Силовая электроника и энергоэффективность" (СЭЭ-2000). Крым. Сентябрь 2000 г.

4. Авторское свидетельство СССР 1089593, кл. G06G 7/63, 1984.

Преобразователь, включающий в себя входной конденсатор; регулируемый стабилизатор тока, состоящий из ключевого элемента, диода, дросселя и датчика тока; мостовой преобразователь, имеющий четыре ключевых элемента, трансформатор, выпрямитель и выходной конденсатор; датчик выходного тока и схему управления, отличающийся тем, что между входом мостового преобразователя, соединенным с выходом регулируемого стабилизатора тока, и точкой подключения входного напряжения преобразователя к входу регулируемого стабилизатора тока и входному конденсатору установлен диод.