Преобразователь постоянного напряжения

Изобретение относится к электрорадиотехнике, в частности к высокочастотным преобразователям постоянного напряжения с гальванической развязкой цепей, и может быть использовано в электрических схемах различных источников питания постоянным током.

Известен преобразователь постоянного напряжения, содержащий трансформатор, первичная обмотка которого подключена к сети через управляемые полупроводниковые ключи, преобразующие постоянное напряжение в переменное, а к вторичной обмотке трансформатора подключена нагрузка через выпрямительные диоды и сглаживающий фильтр. (Источники электропитания РЭА. Справочник под ред. Г.С.Найвельта. М.: Радио и связь. 1986, стр.360-368).

Работа известных преобразователей с высокой частотой коммутации ключей сопровождается резким изменением обратных токов выпрямительных диодов, которые, проходя через паразитные индуктивности рассеяния трансформатора и емкости, вызывают высокочастотные колебания на фронтах импульсов выходного напряжения, создавая перенапряжения на ключах и высокочастотные помехи по цепям питания. Поэтому в качестве сглаживающего фильтра после выпрямителя применяется емкостной фильтр.

Недостатком преобразователей с емкостным фильтром является большая амплитуда тока выпрямительных диодов, увеличенные габариты трансформатора, большая зависимость выпрямленного напряжения от тока нагрузки.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является преобразователь постоянного напряжения, содержащий трансформатор, первичная обмотка которого присоединена к сети через управляемые полупроводниковые ключи, включенные по мостовой или полумостовой схеме, а вторичная обмотка подключена к нагрузке через полупроводниковый выпрямитель и сглаживающий индуктивно-емкостной фильтр. (Р.Севернс, Г.Блум. Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания; Пер. с англ. Под ред. Л.Е.Смольникова. - М.:Энергоатомиздат, 1988, стр.73-76).

Индуктивно-емкостной фильтр ограничивает амплитуду тока выпрямителя, позволяет уменьшить габариты трансформатора и зависимость выходного напряжения от тока нагрузки.

Недостатком преобразователей с индуктивно-емкостным фильтром является повышенная установленная мощность и габариты диодов и высокочастотные помехи в цепи источника питания из-за перенапряжений на диодах, вызванных высокочастотными колебаниями на фронтах импульсов напряжения, обусловленных высокочастотной коммутацией инвертирующих ключей и резким изменением обратных токов диодов, проходящих через паразитные индуктивности и емкости цепи - трансформатор -выпрямитель. Высокочастотные колебания напряжения на диодах создают значительные помехи в цепях питания.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение габаритов и стоимости преобразователя постоянного напряжения и уменьшение высокочастотных помех за счет снижения перенапряжений на выпрямительных диодах преобразователя.

Поставленная задача решается тем, что в известном преобразователе постоянного напряжения, содержащем трансформатор, первичная обмотка которого присоединена к сети через управляемые ключи, собранные по мостовой или полумостовой схеме, а вторичная обмотка со средним выводом подключена к нагрузке через полупроводниковый выпрямитель и сглаживающий индуктивно-емкостной фильтр, между индуктивностью и емкостью фильтра параллельно нагрузке включена демпфирующая цепь, состоящая из конденсатора, управляемого ключа, дросселя и двух диодов, подсоединенных анодами к разным полуволнам выпрямленного напряжения, а катодами включенных между конденсатором и управляемым ключом, а между управляемым ключом и дросселем параллельно нагрузке подключен диод согласно с направлением тока дросселя.

Сущность изобретения состоит в том, что применение в известном преобразователе демпфирующей цепи, включенной параллельно нагрузке между индуктивностью и емкостью фильтра и состоящей из конденсатора, управляемого ключа, дросселя и диодов, подсоединенных к разным полуволнам выпрямленного напряжения, и диода, подключенного согласно с направлением тока дросселя, позволило уменьшить габариты и стоимость преобразователя за счет снижения установленной мощности выпрямительных диодов, на которых уменьшены перенапряжения, обусловленные высокочастотной коммутацией инвертирующих ключей и резким изменением обратных токов диодов, проходящих через паразитные емкости и индуктивности трансформаторно-выпрямительной цепи и вызывающих высокочастотные колебания на вершине импульсов выпрямленного напряжения. Также уменьшены высокочастотные помехи предлагаемого преобразователя за счет устранения высокочастотных колебаний напряжения выпрямителя. Поскольку энергия, накопленная в демпфирующей цепи, после фильтрации не выделяется в виде потерь, а отдается нагрузке, сохраняется высокий КПД преобразователя. Применение в демпфирующей цепи отдельного дросселя, установленного параллельно фильтровой индуктивности, позволяет применять заявленное устройство в преобразователях повышенной мощности. Положительный эффект предлагаемого преобразователя подтвержден стендовыми испытаниями изготовленного опытного образца мощностью 50 кВт.

На чертеже изображена принципиальная схема предложенного преобразователя, где обозначено: 1-8 - силовые транзисторные модули; 9 - трансформатор; 10, 13 - диоды демпфирующей цепи; 11, 12 - диоды выпрямителя; 14 - конденсатор демпфирующей цепи; 15 - диод; 16 - транзистор демпфирующей цепи; 17 - фильтровая индуктивность; 18 - дроссель демпфирующей цепи; 19 - фильтровая емкость.

Преобразователь работает следующим образом.

Постоянное напряжение Uвх подается на первичную обмотку трансформатора 9 через мостовую схему, в которой пара ключей 3, 8 работает в противофазе по отношению к другой паре ключей 4, 7 и преобразуется в переменное. На вторичной обмотке трансформатора 9 переменное напряжение выпрямляется выпрямительным мостом 11, 12 со средней точкой трансформатора и поступает через фильтр, образованный дросселем 17 и емкостью 19 на нагрузку Uвых. Напряжение высокочастотных колебаний на вершине импульсов выпрямленного диодами 10, 13 напряжения накапливается на конденсаторе 14. Транзистор 16 включают на время паузы между выключением пары транзисторов 3, 8 и включением другой пары - 4, 7. Транзистором 16 также можно управлять по законам широтно-импульсной модуляции, частотно-импульсной модуляции, поддерживая на конденсаторе 14 постоянный уровень напряжения. В моменты открытого состояния транзистора 16 конденсатор 14 отдает накопленную энергию через дроссель 18 в нагрузку. Диод 15 предназначен для замыкания тока дросселя 18 на время выключения транзистора 16. На диодах 11, 12 снимаются перенапряжения, устраняются высокочастотные колебания напряжения и снижаются помехи в цепях преобразователя.

В результате защиты, таким образом, диодов от перенапряжений, они выбираются с более низким максимальным напряжением, т.е. с меньшей установленной мощностью и с меньшими габаритами. Потери электроэнергии в демпфирующей цепи практически не увеличивают общие потери в преобразователе, поэтому КПД преобразователя сохраняется высоким. Эффективность демпфирования перенапряжений на диодах не зависит от мощности преобразователя и позволяет применять заявленное устройство для преобразователей повышенной мощности. Устройство рекомендуется для применения в схемах с низким и средним выходным напряжением.

На основании вышеизложенного и по результатам проведенного нами патентно-информационного поиска считаем, что предлагаемый нами преобразователь постоянного напряжения отвечает критериям "Новизна", "Изобретательский уровень", "Промышленная применимость" и может быть защищен патентом Российской Федерации.

Преобразователь постоянного напряжения, содержащий трансформатор, первичная обмотка которого присоединена к сети через управляемые ключи, собранные по мостовой или полумостовой схеме, а вторичная обмотка со средним выводом подключена к нагрузке через полупроводниковый выпрямитель и сглаживающий индуктивно-емкостной фильтр, отличающийся тем, что между индуктивностью и емкостью фильтра параллельно нагрузке включена демпфирующая цепь, состоящая из конденсатора, управляемого ключа, дросселя и двух диодов, подсоединенных анодами к разным полуволнам выпрямленного напряжения, а катодами включенных между конденсатором и управляемым ключом, а между управляемым ключом и дросселем параллельно нагрузке подключен диод согласно с направлением тока дросселя.