PL223091B1 - Układ przetwornicy dwukierunkowej - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ przetwornicy dwukierunkowej mogącej przetwarzać energię zarówno w kierunku od strony wejściowej do wyjściowej jak i w przeciwnym.

Znany jest z literatury układ nieizolowanej przetwornicy zaporowej DC/DC podwyższającej napięcie (ang. boost converter, step-up converter), która przetwarza napięcie wejściowe w napięcie wyjściowe o wyższej wartości. Znany jest również układ nieizolowanej przetwornicy przepustowej DC/DC obniżającej napięcie (ang. buck converter, step-down converter), która przetwarza napięcie wejściowe w napięcie wyjściowe o niższej wartości. Wadą tych układów jest możliwość przetwarzania energii tylko w jednym kierunku od wejścia do wyjścia. Aby możliwe było przetwarzanie energii w obydwu kierunkach konieczne jest zastosowanie dwóch niezależnych układów.

Znany jest również z polskiego opisu patentowego Pat. 170922 układ przetwornicy obniżającej napięcie zawierający więcej niż jeden człon przetwarzający. Wadą tego rozwiązania jest, podobnie jak w poprzednim przykładzie, możliwość przetwarzania energii tylko w jednym kierunku pomimo zwielokrotnienia bloków przetwarzających.

Znany jest z opisu patentowego EP0654887 układ zasilacza bezprzerwowego zawierającego dwa człony przetwarzania - człon ładowania zasobnika akumulatorowego oraz człon wytwarzania napięcia wyjściowego z napięcia akumulatora. Układ ten może przetwarzać energię w obydwu kierunkach, ponieważ posiada dwa, niezależne człony przetwarzające. Wadą tego rozwiązania jest złożoność konstrukcji.

Istota wynalazku polega na tym, że układ przetwornicy dwukierunkowej posiada zasobnik energii dołączony jednym zaciskiem do masy układu a drugim zaciskiem do zacisku napięcia wejściowego oraz do pierwszego zacisku cewki indukcyjnej. Drugi zacisk cewki indukcyjnej dołączony jest do drenu tranzystora pierwszego, katody diody pierwszej, drenu tranzystora drugiego oraz anody diody drugiej. Katoda diody drugiej dołączona jest do źródła tranzystora drugiego, dodatniego zacisku kondensatora, zacisku napięcia wyjściowego, układu sterującego, katody diody trzeciej oraz źródła tranzystora trzeciego. Dren tranzystora trzeciego dołączony jest do zacisku napięcia zasilania zewnętrznego oraz anody diody trzeciej. Bramki tranzystorów pierwszego, drugiego oraz trzeciego dołączone są do układu sterującego. Źródło tranzystora pierwszego, anoda diody pierwszej oraz ujemny zacisk kondensatora dołączone są do masy układu. W zależności od trybu pracy układ sterujący steruje kluczami tranzystorowymi w taki sposób, że układ działa na zasadzie przetwornicy przepustowej DC/DC znanej z literatury, przetwarzając zewnętrzne napięcie zasilające w napięcie niższe, ładujące zasobnik energii lub w przypadku zaniku zewnętrznego napięcia zasilającego działa na zasadzie przetwornicy zaporowej DC/DC znanej z literatury, przetwarzając napięcie wejściowe pochodzące z zasobnika energii na wyższe napięcie dostarczane do zacisku napięcia wyjściowego.

Zaletą układu jest to, że podtrzymuje on napięcie wyjściowe układu po zaniku zewnętrznego napięcia zasilającego czerpiąc energię z zasobnika energii będącego elementem układu. Zaletą jest również to, że podczas obecności zewnętrznego napięcia zasilającego ładuje on zasobnik energii będący elementem układu czerpiąc energię z zewnętrznego napięcia zasilającego. Kolejną zaletą jest wykorzystywanie pojedynczej cewki indukcyjnej oraz dwóch kluczy tranzystorowych do przetwarzania energii zarówno w fazie ładowania zasobnika energii jak i w fazie podtrzymania napięcia wyjściowego (rozładowywania zasobnika energii) oraz to, że układ posiada trzeci klucz tranzystorowy zapobiegający przedostawaniu się napięcia z węzła wyjściowego do węzła zewnętrznego napięcia zasilania w fazie podtrzymania napięcia wyjściowego.

Przedmiot wynalazku przedstawiony jest w przykładzie wykonania na rysunku, który przedstawia schemat ideowy układu.

Zasobnik energii BAT dołączony jest jednym zaciskiem do masy układu a drugim zaciskiem do zacisku napięcia wejściowego Uwe oraz pierwszego zacisku cewki indukcyjnej L. Drugi zacisk cewki indukcyjnej L dołączony jest do drenu tranzystora pierwszego Q1, katody diody pierwszej D1, drenu tranzystora drugiego Q2 oraz anody diody drugiej D2. Katoda diody drugiej D2 dołączona jest do źródła tranzystora drugiego Q2, dodatniego zacisku kondensatora C, zacisku napięcia wyjściowego Uwy, układu sterującego US, katody diody trzeciej D3 oraz źródła tranzystora trzeciego Q3. Dren tranzystora trzeciego Q3 dołączony jest do zacisku napięcia zasilania zewnętrznego Uzas oraz anody diody trzeciej D3. Bramki tranzystorów pierwszego Q1, drugiego Q2 oraz trzeciego Q3 dołączone są do układu sterującego US. Źródło tranzystora pierwszego Q1, anoda diody pierwszej D1 oraz ujemny zacisk kondensatora C dołączone są do masy układu.

PL 223 091 B1

W układzie można wyróżnić dwa stany pracy. W stanie pierwszym, w początkowej fazie, po załączeniu zewnętrznego napięcia zasilania Uzas dioda D3 przewodzi doprowadzając zewnętrzne napięcie zasilania do węzła wyjściowego Uwy co umożliwia rozruch układu sterującego US oraz rozruch obwodu zewnętrznego zasilanego z napięcia Uwy. Po rozruchu układu sterującego US wysterowuje on tranzystor trzeci Q3 powodując jego włączenie, co zmniejsza spadek napięcia pomiędzy węzłem wejściowym Uzas a węzłem wyjściowym Uwy. Układ sterujący rozpoczyna ponadto sterowanie kluczami tranzystorowymi pierwszym Q1 oraz drugim Q2 w taki sposób, że wraz z cewką indukcyjną L tworzą one przetwornicę obniżającą napięcie. Następuje wtedy ładowanie zasobnika energii BAT.

W stanie drugim, gdy nastąpi zanik zewnętrznego napięcia zasilania Uzas, układ sterujący rozpoczyna sterowanie kluczami tranzystorowymi pierwszym Q1 oraz drugim Q2 w taki sposób, że wraz z cewką indukcyjną L tworzą one przetwornicę podwyższającą napięcie. Przetwornica ta wytwarza napięcie wyjściowe Uwy z niższego napięcia zasobnika energii BAT. Jednocześnie, układ sterujący US wyłącza klucz tranzystorowy Q3 zapobiegając przedostawaniu się napięcia wyjściowego z węzła Uwy do węzła Uzas.

Układ według wynalazku może być zastosowany jako zasilacz bezprzerwowy do podtrzymania napięcia zasilającego urządzeń elektronicznych zasilanych napięciem stałym DC w szczególności do podtrzymania napięcia zasilania elektronicznej aparatury zabezpieczeniowej EAZ.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Układ przetwornicy dwukierunkowej składający się z układu sterującego, zasobnika energii, cewki indukcyjnej, kondensatora oraz tranzystorów i diod, znamienny tym, że zasobnik energii (BAT) dołączony jest jednym zaciskiem do masy układu a drugim zaciskiem do zacisku napięcia wejściow ego (Uwe) oraz pierwszego zacisku cewki indukcyjnej (L), której drugi zacisk dołączony jest do drenu tranzystora pierwszego (Q1), katody diody pierwszej (D1), drenu tranzystora drugiego (Q2) oraz anody diody drugiej (D2), której katoda dołączona jest do źródła tranzystora drugiego (Q2), dodatniego zacisku kondensatora (C), zacisku napięcia wyjściowego (Uwy), układu sterującego (US), katody diody trzeciej (D3) oraz źródła tranzystora trzeciego (Q3), którego dren dołączony jest do zacisku napięcia zasilania zewnętrznego (Uzas) oraz anody diody trzeciej (D3), natomiast bramki tranzystorów pierwszego (Q1), drugiego (Q2) oraz trzeciego (Q3) dołączone są do układu sterującego (US) a do masy układu dołączone jest źródło tranzystora pierwszego (Q1), anoda diody pierwszej (D1) oraz ujemny zacisk kondensatora (C).