Импульсный резонансный преобразователь напряжения
Полезная модель относится к силовой электронике, а именно к вторичным источникам электрического питания от выпрямленной сети или от автономных источников постоянного напряжения, использующим преобразование постоянного напряжения в постоянное и может быть использована для создания высокоэффективных источников питания с постоянным напряжением. Задачей полезной модели является повышение эффективности преобразователя напряжения за счет более эффективного использования энергии индуктивного выброса напряжения в результате ее преобразования в свободные электрические колебания параллельного колебательного контура, резонансного увеличения тока на нагрузке, совпадения по фазе мгновенных значений тока и напряжения, уменьшения частоты управляющих импульсов, а также уменьшения электрических потерь на трансформаторе.
1 н.п. ф-лы, 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Полезная модель относится к силовой электронике, а именно к вторичным источникам электрического питания, использующим преобразование постоянного напряжения автономных источников в постоянное, и может быть использована для создания высокоэффективных источников питания с постоянным напряжением.
Наиболее близким по технической сущности и решаемой задаче является преобразователь напряжения, приведенный в [1]. Данное устройство содержит трансформатор как минимум с двумя обмотками W1 и W2, транзисторный ключ, реализованный на полевом транзисторе, схему управления, выход которой соединен с управляющим выводом ключа, диод в цепи вторых выводов обмоток трансформатора, два накопительных конденсатора и выпрямительный диод в выходной цепи. В момент закрывания ключа на втором выводе первой обмотки W1 возникает индуктивный положительный выброс напряжения, связанный в первую очередь с индуктивностью обмотки. Энергия данного выброса через первый диод передается сначала в первый конденсатор и далее через вторую обмотку W2 трансформатора и второй диод во второй конденсатор, а через него в нагрузку. За счет этого и повышается эффективность рассматриваемого преобразователя напряжения.
Общими признаками предлагаемого технического решения и прототипа являются первичный источник постоянного напряжения, транзисторный ключ с одним управляющим выводом, подключенный к выходу схемы управления, а также использование энергии индуктивного выброса напряжения с целью повышения эффективности устройства.
Недостатком рассматриваемого прототипа является относительно низкая эффективность его работы, связанная с неэффективным и кратковременным использованием энергии индуктивного выброса напряжения на первой обмотке W1 трансформатора, относительно высокой частотой управляющих импульсов 20-30 кГц, а также электрическими потерями в самом трансформаторе.
Задачей полезной модели является повышение эффективности преобразователя напряжения за счет более эффективного использования энергии индуктивного выброса напряжения в результате ее преобразования в свободные электрические колебания параллельного колебательного контура, резонансного увеличения тока на нагрузке, совпадения по фазе мгновенных значений тока и напряжения, уменьшения частоты управляющих импульсов, а также уменьшения электрических потерь на трансформаторе.
Сущность полезной модели заключается в том, что в импульсном резонансном преобразователе напряжения, включающем катушку индуктивности как минимум с одной обмоткой, образующую с высокочастотным высоковольтным конденсатором параллельный колебательный контур, транзисторный ключ между первичным источником энергии и колебательным контуром, схему управления, выход которой соединен с управляющим выводом ключа, выпрямительный диод между колебательным контуром и накопительной емкостью, энергия индуктивного выброса напряжения катушки, образующаяся в момент закрытия ключа, преобразуется в энергию свободных затухающих колебаний колебательного контура, передающаяся через выпрямительный диод в накопительную емкость и далее в нагрузку.
Использование катушки индуктивности в составе параллельного колебательного контура позволяет перевести мгновенную энергию индуктивного выброса напряжения в энергию относительно длительных свободных колебаний, в результате существенно продлить время действия этой энергии на нагрузке и тем самым увеличить эффективность преобразователя напряжения. Кратность частоты действия ключа частоте свободных колебаний параллельного контура позволяет достичь режима резонанса токов, увеличения тока на нагрузке и совпадение по фазе мгновенных значений тока и напряжения. Чем достигается дополнительное увеличение эффективности устройства. Использование катушки индуктивности вместо трансформатора позволяет исключить трансформацию энергии из обмотки в обмотку и тем самым уменьшить электрические потери.
Полезная модель поясняется чертежом.
На фигуре представлена электрическая схема импульсного резонансного преобразователя напряжения.
Устройство содержит первичный источник постоянного напряжения 1 в виде аккумуляторной батареи номинальным напряжением 12 В, ограничитель пусковых токов - терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом 2, сильноточный быстродействующий варистор 3, электронный ключ 4, параллельный колебательный контур 5, выпрямительный диод 6, накопительную емкость 7, схему управления 8. В преобразователе выход первичного источника 1 соединен через терморезистор 2 и электронный ключ 4 с колебательным контуром 5. Варистор 3 подключен между терморезистором 2 и электронным ключом параллельно источнику. Электронный ключ 4 управляющим выводом соединен со схемой управления 8. Колебательный контур 5 соединен через диод 6 с накопительной емкостью 7, параллельно которой подключается нагрузка.
Колебательный контур 5 образован параллельным соединением катушки индуктивности и высокочастотным высоковольтным керамическим конденсатором. В качестве силового электронного ключа 4 используется мощный, высоковольтный MOSFET-транзистор, рассчитанный на токи 20-60 А и напряжение 1000 В, имеющий низкое сопротивление открытого канала 0,05-0,3 Ом и высокое быстродействие. В качестве ключа может быть также использован быстродействующий IGBT-транзистор. В качестве диода 6 используется диод Шоттки из карбида кремния, рассчитанный на обратное напряжение не ниже 1000 В с временем восстановления обратного сопротивления менее 10 наносекунд. Накопительная емкость 7 представляет собой электролитический конденсатор емкостью сотни микрофарад, рассчитанный на напряжение не менее 1000 В. Выполнение схемы управления 8 может быть различным.
Преобразователь напряжения работает следующим образом.
В момент открытия электронного ключа 4 происходит насыщение катушки индуктивности от первичного источника постоянного напряжения 1, сопровождающееся увеличением тока до установившегося значения. Время открытого состояния ключа определяется постоянной времени катушки. Далее электронный ключ закрывается и на катушке наводится напряжение прямо пропорциональное ее индуктивности и скорости изменения тока [2], и достигает значения 300 В. При этом ток на катушке, по закону коммутации, непосредственно после закрытия ключа 4 сохраняет свое значение на уровне установившегося значения, предшествующем моменту закрытию ключа. Далее в колебательном контуре 5 возникают свободные, затухающие колебания на резонансной частоте с начальной амплитудой по напряжению около 300 В. Частота свободных колебаний контура при условии остаточного влияния нагрузки составляет несколько десятков килогерц. При этом в течение каждого положительного полупериода колебаний электрическая энергия через выпрямительный диод 6 поступает на накопительную емкость 7 и нагрузку. Накопительная емкость 7 выполняет функцию сглаживания сигнала. Выпрямительный диод 6, представляющий собой высоковольтный диод Шоттки с малым временем восстановления обратного сопротивления выполняет важнейшую функцию односторонней передачи энергии из колебательного контура 5 в нагрузку, обеспечивая процесс свободных колебаний электрической энергии в колебательном контуре. Терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом 2 ограничивает пусковые токи. Для ограничения импульсных перенапряжений, амплитуда которых может достигать 2 кВ, применен сильноточный быстродействующий варистор 3.
Далее процесс повторяется, происходит повторное замыкание электронного ключа 4, насыщение катушки и т.д. Частота работы электронного ключа 4 составляет несколько сот герц и должна быть строго кратна частоте свободных колебаний колебательного контура 5. Это необходимое условие синхронизации в работе колебательного контура и всего устройства, позволяющее, кроме того, достичь режима резонанса токов, увеличения тока на катушке и совпадение по фазе мгновенных значений тока и напряжения. Увеличение тока на катушке приводит к существенному увеличению выходной мощности устройства, вследствие ее квадратичной зависимости от тока [3]:
P2=(L1×I2×f1)/2,
где L1 - индуктивность катушки колебательного контура L1С1;
I - действующее значение тока индуктивности L1 на частоте собственных колебаний контура L1С1;
f1 - частота собственных колебаний контура L1С1 при остаточном действии нагрузки.
Уменьшение частоты управляющих импульсов с 20-30 кГц до нескольких сот герц возможно за счет действия свободных колебаний энергии в параллельном колебательном контуре 5 с частотой несколько десятков килогерц, что эквивалентно действию ключа на этой же частоте в прототипе.
Уменьшение частоты управляющих импульсов позволяет уменьшить тепловые потери на ключе.
Таким образом, повышение эффективности устройства достигается за счет увеличения длительности действия энергии индуктивного выброса напряжения на нагрузке в результате достижения свободных колебаний в параллельном колебательном контуре, резонансного увеличения тока на нагрузке и совпадения по фазе мгновенных значений тока и напряжения в режиме резонанса токов, уменьшения частоты управляющих импульсов, а также уменьшения электрических потерь на трансформаторе.
Источники, используемые при написании заявки.
1. Патент 
77516 на полезную модель «Преобразователь напряжения», 2008 г., авторы В.В.Борисов, О.Н.Жуков, С.Б.Литвяков, Ю.Т.Михайлов, В.В.Руховец, И.В.Сычев.
2. Менакер К.В., Цветаева А.С. Импульсный редукционный преобразователь мощности, как основной источник питания электротранспортных средств//Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2012. - 1. - С.408-411.
3. Менакер К.В., Цветаева А.С. Импульсный преобразователь мощности//Автоматика, связь, информатика. - 2012. - 6. - С.21-23.
1. Импульсный резонансный преобразователь напряжения, включающий катушку индуктивности как минимум с одной обмоткой, образующую с высокочастотным высоковольтным конденсатором параллельный колебательный контур, ключ между первичным источником энергии и колебательным контуром, схему управления, выход которой соединен с управляющим выводом ключа, выпрямительный диод между колебательным контуром и накопительной емкостью, отличающийся наличием параллельного колебательного контура, в котором энергия мгновенного индуктивного выброса напряжения катушки в момент закрытия ключа преобразуется в энергию относительно длительных свободных затухающих колебаний колебательного контура.
2. Импульсный резонансный преобразователь напряжения по п.1, отличающийся тем, что частота работы ключа не превышает 1000 Гц и кратна частоте свободных колебаний параллельного колебательного контура, значение которой не менее нескольких десятков килогерц.
