Импульсный преобразователь напряжений

Полезная модель относится к электротехнике и силовой импульсной электронике и может быть использована при создании авиационно-бортовых систем электроснабжения перспективных самолетов (полностью электрифицированных).

Техническим результатом предложения является повышение надежности и снижение помехоизлучений устройства за счет ограничения и демпфирования сверхтоков и перенапряжений.

Указанный технический результат достигается БЛАГОДАРЯ тому, что в импульсный преобразователь напряжений, содержащий входные выводы 1 для подсоединения источника питания, блок управления 2, электронно-ключевую стойку 3, состоящую из двух последовательно-согласно включенных силовых ключей 4, 5, зашунтированных обратными диодами 6, 7 и демпфирующими конденсаторами 8, 9, подключенных управляющими выводами к основным выходным выводам блока управления, двухконденсаторную емкостную стойку 10-11, подключенную своими крайними выводами к входным выводам устройства, и основные выходные выводы 12 для подключения нагрузки переменного тока, соединенные со средними выводами емкостной и электронно-ключевой стоек, ВВЕДЕНЫ трансреактор 13 с двумя обмотками 14, 15 и две однонаправленные двухдиодные стойки 16-17 и 18-19, каждая из которых своими крайними выводами включена между соответствующим входным выводом устройства и средним выводом электронно-ключевой стойки, крайние выводы которой через соответствующие демпфирующие конденсаторы подключены к средним выводам соответствующих двухдиодных стоек и через соответствующие обмотки трансреактора - к соответствующим входным выводам устройства, причем разноименными выводами обмоток, а также БЛАГОДАРЯ тому, что обмотки трансреактора зашунтированы электронными ключами 20, 21, подключенными своими управляющими выводами к вспомогательным выходным выводам 22, ВВЕДЕННЫМ в блок управления, выполненный с возможностью поочередной подачи импульсов на свои вспомогательные выходные выводы, а также БЛАГОДАРЯ тому, что в него ВВЕДЕНЫ дополнительный диод 23, однонаправленный дополнительный электронный ключ 24 и дополнительные выходные выводы 25 для подсоединения нагрузки постоянного тока, а в трансреактор ВВЕДЕНА дополнительная обмотка 26, подключенная через дополнительный диод к дополнительным выходным выводам устройства, и зашунтированная дополнительным электронным ключом, управляющий вывод которого подключен к дополнительным выходным выводам 27 блока управления, ВВЕДЕННЫМ в него, и, кроме того БЛАГОДАРЯ тому, что него ВВЕДЕНА съемная проводящая перемычка 28, шунтирующая основные выходные выводы устройства.

В ф-ле 4 п, илл. - 1

Полезная модель относится к электротехнике и силовой импульсной электронике и может быть использована при создании авиационно-бортовых систем электроснабжения перспективных самолетов (полностью электрифицированных).

Известны импульсные преобразователи напряжения (аналоги), содержащие входные выводы для подсоединения источника питания, блок управления, двухключевую электронную стойку с внутренними обратными диодами, емкостную электролитическую двухконденсаторную стойку, подключенную к входным выводам устройства, и выходные выводы для подключения нагрузки (газоразрядной лампы высокого давления и трансформаторного высоковольтного блока зажигания) (Эффективный источник питания разрядных ламп высокого давления, В.Поляков, И.Ошурков, ж. Силовая электроника, 1, 2012 г., стр.51, Рис.1 и список литературы к статье).

К недостаткам указанных импульсных преобразователей напряжения (аналогов) относятся низкая надежность и мощные помехоизлучения из-за наличия нетермостойких и недолговечных электролитических конденсаторов, из-за отсутствия ограничителей и демпферов сквозных сверхтоков (возникающих при несанкционированном одновременном включении силовых ключей) и коммутационных перенапряжений (из-за паразитных индуктивностей элементов и монтажа), а также из-за сложности обеспечения симметрии вольтсекундных характеристик знакопеременного выходного напряжения для исключения насыщения магнитопровода нагрузочного трансформатора или катафореза разрядной лампы.

Известен импульсный преобразователь напряжения (прототип), содержащий входные выводы для подсоединения источника питания, выходные выводы для подключения нагрузки (трансформаторно-выпрямительного блока), двухключевую электронную стойку, зашунтированную обратными диодами и демпфирующими конденсаторами, двухконденсаторную емкостную стойку, а также блок управления, выполненный с возможностью поочередной подачи управляющих прямоугольных импульсов. (Способ обратноходового импульсного преобразования постоянного напряжения. Б.В.Кабелев. Патент на изобретение 2125334, Б.И. 2 от 20.01.99 г.).

К недостаткам указанного полумостового инвертора (прототипа) относятся низкая надежность и мощные помехоизлучения из-за отсутствия ограничения и демпфирования сквозных сверхтоков (при несанкционированном одновременном включении силовых ключей) и коммутационных перенапряжений (из-за паразитных индуктивностей элементов и монтажа).

По технической сущности наиболее близким к предлагаемому является последний из рассмотренных преобразователей напряжения (прототип).

Техническим результатом предложения является повышение надежности и снижение помехоизлучений устройства за счет ограничения и демпфирования сверхтоков и перенапряжений.

Указанный технический результат достигается БЛАГОДАРЯ тому, что в импульсный преобразователь напряжений, содержащий входные выводы для подсоединения источника питания, блок управления, электронно-ключевую стойку, состоящую из двух последовательно-согласно включенных силовых ключей, зашунтированных обратными диодами и демпфирующими конденсаторами, подключенных управляющими выводами к основным выходным выводам блока управления, двухконденсаторную емкостную стойку, подключенную своими крайними выводами к входным выводам устройства, и основные выходные выводы для подключения нагрузки переменного тока, соединенные со средними выводами емкостной и электронно-ключевой стоек, ВВЕДЕНЫ трансреактор с двумя обмотками и две однонаправленные двухдиодные стойки, каждая из которых своими крайними выводами включена между соответствующим входным выводом устройства и средним выводом электронно-ключевой стойки, крайние выводы которой через соответствующие демпфирующие конденсаторы подключены к средним выводам соответствующих двухдиодных стоек и через соответствующие обмотки трансреактора - к соответствующим входным выводам устройства, причем разноименными выводами обмоток, а также БЛАГОДАРЯ тому, что обмотки трансреактора зашунтированы электронными ключами, подключенными своими управляющими выводами к вспомогательным выходным выводам, ВВЕДЕННЫМ в блок управления, выполненный с возможностью поочередной подачи импульсов на свои вспомогательные выходные выводы, а также БЛАГОДАРЯ тому, что в него ВВЕДЕНЫ дополнительный диод, однонаправленный дополнительный электронный ключ и дополнительные выходные выводы для подсоединения нагрузки постоянного тока, а в трансреактор ВВЕДЕНА дополнительная обмотка, подключенная через дополнительный диод к дополнительным выходным выводам устройства, и зашунтированная дополнительным электронным ключом, управляющий вывод которого подключен к дополнительным выходным выводам блока управления, ВВЕДЕННЫМ в него, и кроме того БЛАГОДАРЯ тому, что него ВВЕДЕНА съемная проводящая перемычка, шунтирующая основные выходные выводы устройства.

Лабораторные испытания макета устройства и исследования на компьютерной модели подтверждают работоспособность устройства и возможность его широкого промышленного использования.

На Фиг. представлена принципиальная схема силовой части предлагаемого импульсного преобразователя напряжений.

Импульсный преобразователь напряжений содержит выходные выводы 1 для подсоединения источника питания (постоянного или выпрямленного пульсирующего напряжения), блок управления 2, электронно-ключевую стойку 3, состоящую из двух последовательно-согласно включенных силовых ключей 4, 5, зашунтированных обратными диодами 6, 7 и демпфирующими конденсаторами 8, 9, емкостную двухконденсаторную стойку 10, 11, основные выходные выводы 12 для подключения нагрузки переменного тока, трансреактор 13 с двумя обмотками 14, 15 и две однонаправленные двухдиодные стойки 16-17 и 18-19. Емкостная стойка с конденсаторами 10, 11 подключена своими крайними выводами к входным выводам 1 устройства, основные выходные выводы 12 которого соединены соответственно со средним выводом электронно-ключевой стойки 3 и со средним выводом емкостной стойки 10-11.

Управляющие выводы электронно-ключевой стойки 3 подключены к соответствующим выходным выводам блока управления 2, выполненного с возможностью поочередной подачи на них управляющих импульсов. Каждая из двух двухдиодных стоек 16-17 18-19 своими крайними разноименными выводами включена между соответствующим входным выводом 1 устройства и средним выводом электронно-ключевой стойки 3, крайние выводы которой через соответствующие демпфирующие конденсаторы 8, 9 подключены к средним выводам соответствующих двухдиодных стоек 16-17 и 18-19 и через соответствующие обмотки 14, 15 трансреактора 13 - к соответствующим входным выводам 1 устройства.

Дроссельные обмотки 14, 15 трансреактора 13 имеют общий магнитопровод, причем их выводы, соединенные с входными выводами 1 устройства, являются разноименными, («начало» и «конец», обозначенные на Фиг. с помощью жирной точки и без нее). В качестве ключей 4, 5 электронно-ключевой стойки 3 вместе с обратными диодами 6, 7 можно использовать МДП-транзисторы, например - SPB07N60C3, а в качестве блока управления 2 - микросхемный драйвер полумоста IR1213S, широко представленный на рынке.

Предлагаемый импульсный преобразователь напряжений работает следующим образом.

Выходные выводы 1 устройства подключают к источнику постоянного или выпрямленного пульсирующего знакопостоянного напряжения, а основные выходные выводы 12 - к нагрузке переменного прямоугольного напряжения, например - к трансформаторно-выпрямительному устройству или электронному балласту для газоразрядных ламп. При этом конденсаторы 10, 11 емкостной стойки заряжаются каждый до половины напряжения питания.

На двух основных выходных выводах блока управления 2, после его включения, появляются прямоугольные управляющие импульсы, сдвинутые по времени на 180 электрических градусов (противофазные), которые поочередно включают силовые ключи 4, 5 электронно-ключевой стойки 3.

После первого (а затем и каждого очередного) включения ключа 4 при выключенном ключе 5 происходит частичная разрядка конденсатора 10 и подзарядка конденсатора 11 через нагрузку по цепям 10-14-4-12-нагрузка-12-10 и 1-14-4-12-нагрузка-12-11-1, соответственно. При этом ток в обмотке 14 трансреактора 13 и его суммарное потокосцепление нарастают до определенных величин. После выключения ключа 4 и включения ключа 20 указанный ток замыкается на цепь 14-20 на время паузы t_П, необходимой для обеспечения статической устойчивости процесса преобразования.

После выключения ключа 20 указанный ток обмотки 14, поддерживаемый за счет ЭДС самоиндукции индуктивности рассеяния, сначала частично спадает по цепи 14-8-17-12-нагрузка-12-10-14, дозаряжая депфирующий конденсатор 8, защищающий ключ 4 от перенапряжения, а затем перебрасывается во взаимноиндуктивно связанные с ней обмотки 15 и 26 (согласно электротехническому закону непрерывности суммарного потокосцепления) и спадает уже в них по цепи 15-16-17-18-9-15, дозаряжая второй демпфирующий конденсатор 9 за счет ЭДС взаимоиндукции обмоток 14, 15, и по цепи 26-23-25-нагрузка-25-26.

После первого (а затем и каждого очередного) включения ключа 5 при выключенном ключе 4 сначала происходит частичная разрядка демпфирующего конденсатора 9 по цепи 9-19-10-12-нагрузка-12-5-9, а затем частичная разрядка конденсатора 11 и подзарядка конденсатора 10 через нагрузку по цепям 11-12-нагрузка-12-5-15-11 и 1-10-12-нагрузка-12-5-15-1, соответственно. При этом ток в обмотке 15 трансреактора 13 и его суммарное потокосцепление нарастают до определенных величин. После выключения ключа 5 и включения ключа 21 ток обмотки 15 замыкается на цепь 15-21, на время паузы t_П.

После выключения ключа 21 указанный ток сначала спадает по цепи 15-11-12-нагрузка-12-18-9-15, дозаряжая демпфирующий конденсатор 9, защищающий ключ 6 от перенапряжении, а затем, перебрасывая во взаимоиндуктивно связанные с ней обмотки 14 и 26 и спадает уже в них по цепи 14-11114, дозаряжая демпфирующий конденсатор 8 за счет ЭДС взаимоиндукции обмоток 14, 15, и по цепи 26-23-25-нагрузка-25-26.

Далее вышеуказанные процессы периодически повторяются, вызывая на выходных выводах 12 прямоугольную переменную ЭДС, питающую нагрузку. Для повышения КПД передачи энергии в цепь дополнительных выходных выводов 25 устройства, рекомендуется синхронно с ключами 20 и 21 включать ключ 24, а выключать его с небольшим запаздыванием.

В случае несанкционированного одновременного включения обоих ключей 4 и 5 (например, от коммутационной помехи, проникшей в управляющие ключами драйверы) сквозной ток разрядки конденсаторной стойки 10-11 будет ограничен обмотками 14, 15 трансреактора 13 за счет их существенной суммарной индуктивности, вчетверо превышающей индуктивность каждой из них (пропорционально квадрату удвоенного числа последовательно-согласно включенных витков).

В случае необходимости питания только нагрузки постоянного тока, подключенной к дополнительным выходным выводам 25 устройства, основные его выходные выводы 12 шунтируют с помощью проводящей перемычки 28. При этом на интервалах включенных ключей 4 и 5 производится только запасание дозы электромагнитной энергии в трансреакторе 13, на интервалах пауз t_П - сохранение этой энергии в нем, а на интервалах выключенных всех ключей - передача указанной дозы энергии в нагрузку.

Из вышесказанного следует, что с помощью трансреактора 13 и демпфирующих конденсаторов 8, 9 осуществляются ограничения величин и крутизны фронтов нарастания, рабочих и аварийно-сквозных токов цепях устройства, а также коммутационных напряжений на электронных ключах, что повышает надежность устройства и снижает уровень излучаемых им помех.

Таким образом, достигается заявленный технический результат - повышение надежности и снижение помехоизлучений устройства.

1. Импульсный преобразователь напряжений, содержащий входные выводы для подсоединения источника питания, блок управления, электронно-ключевую стойку, состоящую из двух последовательно-согласно включенных силовых ключей, зашунтированных обратными диодами и демпфирующими конденсаторами, подключенных управляющими выводами к основным выходным выводам блока управления, двухконденсаторную емкостную стойку, подключенную своими крайними выводами к входным выводам устройства, и основные выходные выводы для подключения нагрузки переменного тока, соединенные со средними выводами емкостной и электронно-ключевой стоек, отличающийся тем, что в него введены трансреактор с двумя обмотками и две однонаправленные двухдиодные стойки, каждая из которых своими крайними выводами включена между соответствующим входным выводом устройства и средним выводом электронно-ключевой стойки, крайние выводы которой через соответствующие демпфирующие конденсаторы подключены к средним выводам соответствующих двухдиодных стоек и через соответствующие обмотки трансреактора - к соответствующим входным выводам устройства, причем разноименными выводами обмоток.

2. Импульсный преобразователь напряжения по п.1, отличающийся тем, что обмотки трансреактора зашунтированы электронными ключами, подключенными своими управляющими выводами к вспомогательным выходным выводам, введенным в блок управления, выполненный с возможностью поочередной подачи управляющих импульсов на свои вспомогательные выходные выводы.

3. Импульсный преобразователь напряжения по п.1, отличающийся тем, что в него введен дополнительный диод, однонаправленный дополнительный электронный ключ и дополнительные выходные выводы для подсоединения нагрузки постоянного тока, а в трансреактор введена дополнительная обмотка, подключенная через дополнительный диод к дополнительным выходным выводам устройства и зашунтированная однонаправленным дополнительным электронным ключом, управляющий вывод которого подключен к дополнительным выходным выводам блока управления, введенным в него.

4. Импульсный преобразователь напряжения по п.1, отличающийся тем, что в него введена съемная проводящая перемычка, шунтирующая основные выходные выводы устройства.