PL225511B1

PL225511B1 - Impulse voltage converter

Info

Publication number: PL225511B1
Application number: PL412899A
Authority: PL
Inventors: Jarosław Zygarlicki
Original assignee: Politechnika Opolska
Priority date: 2015-06-29
Filing date: 2015-06-29
Publication date: 2017-04-28
Also published as: PL412899A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest impulsowa przetwornica napięcia, przeznaczona do zasilania układów elektronicznych, w których wymagana jest wysokosprawna konwersja poziomów napięć zas ilających, w tym w układach przetwornic DC-DC kontrolerów ładowania akumulatorów w systemach zasilających alternatywne źródła energii elektrycznej.The subject of the invention is an impulse voltage converter intended for supplying electronic systems which require high-efficiency conversion of supply voltage levels, including DC-DC converter systems of battery charging controllers in systems supplying alternative sources of electricity.

W znanym z artykułu Schmitz T.: „Designing a Buck Converter”, http://www.ecnmag.com/articles/2009/12/designing-buck-converter, z 8 grudnia 2009, rys. 1, układzie przetwornicy, wejście dodatnie układu połączone jest z biegunem dodatnim kondensatora pierwszego i z drenem tranzystora pierwszego, którego źródło połączone jest z końcówką pierwszą cewki, z drenem tranzystora drugiego i z wejściem pierwszym sterownika. Wyjścia sterujące sterownika: pierwsze i drugie połączone są odpowiednio z bramkami tranzystorów: pierwszego i drugiego. Wejście ujemne znanej przetwornicy napięcia połączone jest z poziomem odniesienia, z biegunem ujemnym kondensatora pierwszego, ze źródłem tranzystora drugiego, z biegunem ujemnym kondensatora drugiego oraz z wyjściem ujemnym. Końcówka druga cewki, połączona jest z biegunem dodatnim kondensatora drugiego, z wejściem drugim sterownika i z wyjściem dodatnim układu.In the well-known article by Schmitz T .: "Designing a Buck Converter", http://www.ecnmag.com/articles/2009/12/designing-buck-converter, from December 8, 2009, Fig. 1, converter circuit, input the positive of the circuit is connected to the positive pole of the first capacitor and to the drain of the first transistor, the source of which is connected to the first end of the coil, to the drain of the second transistor and to the first input of the driver. Controller control outputs: the first and the second are connected to the gates of the first and second transistors, respectively. The negative input of the known voltage converter is connected to the reference level, to the negative pole of the first capacitor, to the source of the second transistor, to the negative pole of the second capacitor and to the negative output. The second end of the coil is connected to the positive pole of the second capacitor, to the second input of the controller and to the positive output of the system.

Znana impulsowa przetwornica napięcia, chociaż umożliwia wysokosprawną konwersję poziomów napięć z wejścia układu na jego wyjście, to jednak w jego sprawność znacząco maleje przy d użych wartościach stosunków napięć wejściowych do wyjściowych. Ponadto znany układ wymaga stosowania rdzeni ferromagnetycznych o znaczących rozmiarach w przypadku układów przetwornic dużej mocy.The known pulse voltage converter, although it enables high-efficiency conversion of voltage levels from the input of the system to its output, its efficiency significantly decreases at high values of the input to output voltage ratios. Moreover, the known system requires the use of ferromagnetic cores of considerable size in the case of high power converter systems.

Istota impulsowej przetwornicy napięcia według wynalazku polega na tym, że wejście dodatnie połączone jest z biegunem dodatnim kondensatora trzeciego, z końcówką pierwszą rezystora i z początkiem uzwojenia pierwszego transformatora pierwszego. Biegun ujemny kondensatora trzeciego połączony jest z końcówką drugą rezystora, z końcem uzwojenia pierwszego transformatora pierwszego, z drenem tranzystora pierwszego i z biegunem dodatnim kondensatora drugiego. Źródło tranzystora pierwszego połączone jest z końcem uzwojenia drugiego transformatora pierwszego, którego początek połączony jest z końcem uzwojenia pierwszego transformatora drugiego. Początek uzwojenia pierwszego transformatora drugiego połączony jest z początkiem uzwojenia drugiego transform atora drugiego, z biegunem dodatnim kondensatora czwartego i z biegunem dodatnim kondensatora piątego. Koniec uzwojenia drugiego transformatora drugiego połączony jest z biegunem ujemnym kondensatora piątego, z biegunem dodatnim kondensatora szóstego i z wyjściem dodatnim.The essence of the impulse voltage converter according to the invention is that the positive input is connected to the positive pole of the third capacitor, to the first terminal of the resistor and to the winding beginning of the first transformer of the first. The negative pole of the third capacitor is connected to the second end of the resistor, to the end of the first winding of the first transformer, to the drain of the first transistor and to the positive pole of the second capacitor. The source of the first transistor is connected to the end of the winding of the second of the first transformer, the beginning of which is connected to the end of the winding of the first of the second transformer. The beginning of the winding of the first transformer of the second is connected to the beginning of the winding of the second transformer of the second, to the positive pole of the fourth capacitor and to the positive pole of the fifth capacitor. The winding end of the second transformer of the second is connected to the negative pole of the fifth capacitor, to the positive pole of the sixth capacitor and to the positive output.

Impulsowa przetwornica napięcia posiada wysoką sprawność przetwarzania energii dla dużych wartości podziału napięcia wejściowego do wyjściowego. Układ według wynalazku umożliwia uzyskanie przetwarzania znaczących mocy, przy zachowaniu małych rozmiarów urządzenia, w tym rozmiaru rdzeni ferromagnetycznych w porównaniu do rozmiarów znanych rozwiązań.The pulsed voltage converter has a high efficiency of energy conversion for large values of the division of the input voltage to the output voltage. The system according to the invention makes it possible to obtain significant power processing, while maintaining small dimensions of the device, including the size of ferromagnetic cores compared to the dimensions of known solutions.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania uwidoczniony jest na rysunku przedstawiającym schemat ideowy impulsowej przetwornicy napięcia. Wejście dodatnie We+ impulsowej przetwornicy napięcia według wynalazku połączone jest z biegunem dodatnim kondensatora pierwszego C1, z biegunem dodatnim kondensatora trzeciego C3, z końcówką pierwszą rezystora R i z początkiem uzwojenia pierwszego transformatora pierwszego Tr1. Wejście ujemne We- połączone jest z biegunem ujemnym kondensatora pierwszego C1, z biegunem ujemnym kondensatora drugiego C2, ze źródłem tranzystora drugiego T2, z biegunem ujemnym kondensatora czwartego C4, z biegunem ujemnym kondensatora szóstego C6, poziomem odniesienia oraz wyjściem ujemnym Wy-. Biegun ujemny kondensatora trzeciego C3 połączony jest z końcówką drugą rezystora R, z końcem uzwojenia pierwszego transformatora pierwszego Tr1, z drenem tranzystora pierwszego T1 oraz z biegunem dodatnim kondensatora drugiego C2. Źródło tranzystora pierwszego T1 połączone jest z drenem tranzystora drugiego T2 oraz z końcem uzwojenia drugiego transformatora pierwszego Tr1, którego początek połączony jest z końcem uzwojenia pierwszego transformatora drugiego Tr2. Początek uzwojenia pierwszego transformatora drugiego Tr2 połączony jest z początkiem uzwojenia drugiego transformatora drugiego Tr2 oraz z biegunem dodatnim kondensatora czwartego C4 i z biegunem dodatnim kondensatora piątego C5. Bramka tranzystora pierwszego T1 połączona jest z wyjściem sterującym pierwszym s1 sterownika St. Bramka tranzystora drugiego T2 połączona jest z wyjściem sterującym drugim s2 sterownika St, którego wejście zasilające ujemne połączone jest z poziomem odniesienia. Koniec uzwojenia drugiego transformatora drugiego Tr2 połączony jest z biegunem ujemnym kondenPL 225 511 B1 satora piątego C5, z wejściem zasilającym dodatnim sterownika St, z biegunem dodatnim kondensatora szóstego C6 oraz z wyjściem dodatnim układu Wy+.The subject of the invention in an exemplary embodiment is shown in the drawing showing a schematic diagram of a pulse voltage converter. The positive input I + of the pulse voltage converter according to the invention is connected to the positive pole of the first capacitor C1, to the positive pole of the third capacitor C3, to the first terminal of the resistor R and to the winding start of the first transformer Tr1. The negative input We- is connected to the negative pole of the first capacitor C1, to the negative pole of the second capacitor C2, to the source of the second transistor T2, to the negative pole of the fourth capacitor C4, to the negative pole of the sixth capacitor C6, the reference level and the negative output Wy-. The negative pole of the third capacitor C3 is connected to the second end of the resistor R, to the end of the winding of the first transformer Tr1, to the drain of the first transistor T1 and to the positive pole of the second capacitor C2. The source of the first transistor T1 is connected to the drain of the second transistor T2 and to the end of the winding of the second transformer, Tr1, the beginning of which is connected to the end of the winding of the second transformer, Tr2. The beginning of the winding of the first transformer of the second Tr2 is connected to the beginning of the winding of the second transformer of the second transformer Tr2, and to the positive pole of the fourth capacitor C4 and to the positive pole of the fifth capacitor C5. The gate of the first transistor T1 is connected to the control output s1 of the controller St. The gate of the second transistor T2 is connected to the second control output s2 of the controller St, whose negative supply input is connected to the reference level. The winding end of the second transformer of the second transformer Tr2 is connected to the negative pole of the fifth condenser C5, to the positive supply input of the controller St, to the positive pole of the sixth capacitor C6 and to the positive output of the Wy + circuit.

Zasilające napięcie dodatnie podawane jest na wejście dodatnie We+ impulsowej przetwornicy napięcia według wynalazku, a zasilające napięcie ujemne podawane jest na jej wejście ujemne We-. Różnica potencjałów na wejściach: dodatnim We+ i ujemnym We- układu według wynalazku polaryzuje kondensator filtrujący C1. Prąd z wejścia dodatniego We+ płynie przez równolegle połączone: uzwojenie pierwsze transformatora pierwszego Tr1 z rezystorem R, zasilając zespół szeregowo połączonych kluczy tranzystorowych T1 oraz T2, stanowiących pół mostka typu H. Równolegle dołączony do uzwojenia pierwszego transformatora pierwszego kondensator trzeci C3 stabilizuje napięcie na jego końcówkach, filtrując składowe o wyższych częstotliwościach. Spadek napięcia na równolegle połączonych: uzwojeniu pierwszym transformatora pierwszego Tr1 z rezystorem R, ustala składową stałą napięcia pracy kondensatora trzeciego C3 zgodnie z jego przyjętą polaryzacją. Wartość napięcia stałego polaryzacji kondensatora trzeciego C3 pomniejsza wartość napięcia zasilającego zespół szeregowo połączonych kluczy tranzystorowych T1 oraz T2 oraz ustala napięcie pracy kondensatora filtrującego drugiego C2. Sterownik St poprzez wyjścia sterujące: pierwsze s1 i drugie s2 taktuje komplementarnymi sygnałami prostokątnymi napięcia o zmiennym wypełnieniu PWM bramki tranzystorów: pierwszego T1 i drugiego T2, powodując ich naprzemienne włączanie. Stosunek czasu włączenia tranzystora pierwszego T1 do czasu włączania tranzystora drugiego T2 ustalany jest przez program sterownika St na podstawie pomiarów napięcia podawanego na jego wejście zasilające dodatnie. Rejestrowane na wejściu zasilającym dodatnim sterownika St napięcie mniejsze od nominalnego powoduje wydłużenie czasu włączenia tranzystora pierwszego T1 oraz skrócenie czasu włączenia tranzystora drugiego T2. Rejestrowane na wejściu zasilającym dodatnim sterownika St napięcie większe od nominalnego powoduje skrócenie czasu włączenia tranzystora pierwszego T1 i wydłużenie czasu włączenia tranzystora drugiego T2.The supplying positive voltage is applied to the positive input We + of the impulse voltage converter according to the invention, and the supplying negative voltage is supplied to its negative input We-. The potential difference on the inputs: positive We + and negative We- of the system according to the invention polarizes the filtering capacitor C1. The current from the positive input We + flows through the parallel connected: first winding of the first transformer Tr1 with the resistor R, supplying the set of serially connected transistor keys T1 and T2, forming a half-bridge of type H. The third capacitor C3, connected to the winding of the first transformer, in parallel, stabilizes the voltage at its ends by filtering components with higher frequencies. The voltage drop on the first winding of the first transformer Tr1 connected in parallel with the resistor R sets the constant component of the operating voltage of the third capacitor C3 according to its adopted polarity. The value of the DC bias of the capacitor of the third C3 reduces the value of the voltage supplying the set of serially connected transistor keys T1 and T2 and determines the operating voltage of the filtering capacitor C2. The controller St through the control outputs: the first s1 and the second s2 clocked the gate of the transistors: the first T1 and the second T2 with complementary rectangular voltage signals with variable PWM filling, causing them to switch on alternately. The ratio of the time of switching on the first transistor T1 to the time of switching on the second transistor T2 is determined by the program of the controller St on the basis of measurements of the voltage supplied to its positive input. The voltage lower than the nominal voltage registered at the positive supply input of the controller St causes the extension of the switching time of the first transistor T1 and the shortening of the switching time of the second transistor T2. The voltage higher than the nominal voltage registered at the positive supply input of the controller St shortens the switching time of the first transistor T1 and extends the switching time of the second transistor T2.

W fazie pierwszej pracy układu według wynalazku, program sterownika St ustawia napięcie dodatnie na wyjściu sterującym pierwszym s1, polaryzując dodatnio bramkę tranzystora pierwszego T1 oraz sterownik St ustawia napięcie niskie na wyjściu sterującym drugim s2, depolaryzując bramkę tranzystora drugiego T2, co powoduje wyłączenie tranzystora drugiego T2. Tranzystor pierwszy T1 zostaje włączony i zaczyna przewodzić prąd z drenu tranzystora pierwszego T1 do jego źródła przez szeregowo połączone uzwojenia: drugie transformatora pierwszego Tr1 i pierwsze transformatora drugiego Tr2 do bieguna dodatniego kondensatora czwartego C4, powodując jego ładowanie, a przez uzwojenie drugie transformatora drugiego Tr2 prąd płynie do wyjścia dodatniego Wy+ układu według wynalazku. Przepływ stałego prądu przez uzwojenia: pierwsze transformatora pierwszego Tr1 drugie transformatora drugiego Tr2 powoduje wstępne stałe magnesowanie ich rdzeni, przesuwając punkt namagnesowania w dolną część charakterystyki magnesowania tych rdzeni, rozszerzając w ten sp osób dwukrotnie zakres przenoszonej energii w polu magnetycznym obu transformatorów w pojedynczym cyklu ich przemagnesowywania wywołanego przez włączenie tranzystora pierwszego T1. W fazie drugiej pracy układu według wynalazku, program sterownika St ustawia napięcie dodatnie na wyjściu sterującym drugim s2, polaryzując dodatnio bramkę tranzystora drugiego T2 oraz sterownik St ustawia napięcie niskie na wyjściu sterującym pierwszym s1, depolaryzując bramkę tranzystora pierwszego T1, co powoduje wyłączenie tranzystora pierwszego T1. Tranzystor drugi T2 zostaje włączony. W fazie drugiej energia zmagazynowana w polu magnetycznym transformatora pierwszego Tr1 oraz transformatora drugiego Tr2, indukuje na zaciskach uzwojeń siłę elektromotoryczną powodującą przepływ prądu z początku uzwojenia drugiego transformatora pierwszego Tr1 do końca uzwojenia pierwszego transformatora drugiego Tr2 i dalej z początku uzwojenia pierwszego transformatora drugiego Tr2 do bieguna dodatniego kondensatora czwartego C4, powodując jego ładowanie, a przez uzwojenie drugie transformatora drugiego Tr2 prąd płynie do wyjścia dodatniego Wy+ impulsowej przetwornicy napięciowej według wynalazku i z wyjścia ujemnego Wy- do źródła tranzystora drugiego T2 i dalej do jego drenu i do końca uzwojenia drugiego transformatora pierwszego Tr1. Równolegle dołączony do uzwojenia drugiego transformatora drugiego Tr2 kondensator piąty C5 stabilizuje napięcie na jego końcówkach, filtrując składowe o wyższych częstotliwościach. Spadek napięcia na uzwojeniu drugim transformatora drugiego Tr2 ustala składową stałą napięcia pracy kondensatora piątego C5 zgodnie z jego przyjętą polaryzacją. Wartość napięcia pracy kondensatora czwartego C4 pomniejszona o wartość napięcia stałego polaryzacji kondensatora piątego C5 ustala napięcie pracy kondensatora filtrującego szóstego C6 i wartość napięcia na wyjściu Wy impulsowej przetwornicy napięciowej według wynalazku.In the first phase of operation of the system according to the invention, the controller program St sets a positive voltage on the first control output s1, positively biasing the gate of the first transistor T1 and the controller St sets the low voltage on the second control output s2, depolarizing the second transistor T2's gate, which turns off the second transistor T2 . The first transistor T1 is turned on and begins to conduct current from the drain of the first transistor T1 to its source through the series connected windings: the second of the first transformer Tr1 and the first of the second transformer Tr2 to the positive pole of the fourth capacitor C4, causing it to charge, and through the second winding of the second transformer Tr2 the current flows to the positive output Wy + of the circuit according to the invention. The flow of direct current through the windings: the first transformer of the first transformer Tr1, the second transformer of the second, Tr2 causes the initial permanent magnetization of their cores, shifting the magnetization point to the lower part of the magnetization characteristic of these cores, extending the range of energy transferred in the magnetic field of both transformers in a single cycle of their remagnetization caused by turning on the first transistor T1. In the second phase of operation of the system according to the invention, the driver program St sets a positive voltage on the second control output s2, positively biases the gate of the second transistor T2, and the controller St sets the low voltage on the first control output s1, depolarizing the gate of the first transistor T1, which turns off the first transistor T1 . The second transistor T2 is turned on. In the second phase, the energy stored in the magnetic field of the first transformer, Tr1 and the second transformer, Tr2, induces an electromotive force on the winding terminals, causing the current to flow from the beginning of the winding of the second transformer of the first Tr1 to the end of the winding of the first transformer of the second, Tr2, and then from the beginning of the winding of the first transformer, Tr2, to the pole. positive capacitor C4, causing it to charge, and through the second winding of the second transformer Tr2, the current flows to the positive output Wy + of the pulse voltage converter according to the invention and from the negative output Wy- to the source of the second transistor T2 and further to its drain and to the end of the winding of the second transformer of the first Tr1 . The fifth capacitor C5, connected parallel to the winding of the second transformer, Tr2, stabilizes the voltage at its ends, filtering the components with higher frequencies. The voltage drop across the second winding of the second transformer Tr2 determines the constant component of the operating voltage of the fifth capacitor C5 in accordance with its adopted polarity. The operating voltage of the fourth capacitor C4 minus the DC bias voltage of the fifth capacitor C5 determines the operating voltage of the sixth filter capacitor C6 and the voltage at the output Output of the pulse voltage converter of the invention.

PL 225 511 B1PL 225 511 B1

Stosunek czasu trwania fazy pierwszej do czasu trwania fazy drugiej cyklu pracy impulsowej przetwornicy napięciowej według wynalazku decyduje o wartości podziału napięcia wejściowego We do wyjściowego Wy.The ratio of the duration of the first phase to the duration of the second phase of the operation cycle of the pulsed voltage converter according to the invention determines the value of the division of the input voltage We to the output Out.

Claims

Pulse voltage converter, in which the positive input is connected to the positive pole of the first capacitor and the source of the first transistor is connected to the drain of the second transistor, the gate of the first transistor is connected to the control output of the first controller, the gate of the second transistor is connected to the control output of the second controller, the negative power input is connected to the reference level, and the negative input is connected to the negative pole of the first capacitor, to the source of the second transistor, to the negative pole of the sixth capacitor, to the reference level and to the negative output, characterized in that the positive input (In +) is connected with the positive pole of the third capacitor (C3), with the first end of the resistor (R) and with the beginning of the first winding of the first transformer (Tr1), the negative pole of the third capacitor (C3) is connected with the second end of the resistor (R), with the winding end of the first transformer (R) ( Tr1), with the drain of the first transistor (T1) and the positive pole of the second capacitor (C2), the source of the first transistor (T1) is connected to the end of the second winding of the first transformer (Tr1), the beginning of which is connected to the end of the winding of the first second transformer (Tr2), and the beginning the winding of the first transformer of the second (Tr2) is connected to the beginning of the winding of the second transformer of the second (Tr2), to the positive pole of the fourth capacitor (C4) and to the positive pole of the fifth capacitor (C5), while the winding end of the second transformer of the second (Tr2) is connected to the negative pole the fifth capacitor (C5), with the positive pole of the sixth capacitor (C6) and with the positive output (Wy +).