RU117744U1

RU117744U1 - CONVERTER

Info

Publication number: RU117744U1
Application number: RU2011143112/07U
Authority: RU
Inventors: Сергей Иванович Орлов
Original assignee: Сергей Иванович Орлов
Priority date: 2011-10-25
Filing date: 2011-10-25
Publication date: 2012-06-27

Abstract

Преобразователь, включающий в себя входной конденсатор; регулируемый стабилизатор тока, состоящий из ключевого элемента, диода, дросселя и датчика тока; мостовой преобразователь, имеющий четыре ключевых элемента, трансформатор, выпрямитель и выходной конденсатор; датчик выходного тока и схему управления, отличающийся тем, что между входом мостового преобразователя, соединенным с выходом регулируемого стабилизатора тока, и точкой подключения входного напряжения преобразователя к входу регулируемого стабилизатора тока и входному конденсатору установлен диод. A converter including an input capacitor; adjustable current stabilizer, consisting of a key element, diode, choke and current sensor; a bridge converter having four key elements, a transformer, a rectifier and an output capacitor; an output current sensor and a control circuit, characterized in that a diode is installed between the input of the bridge converter connected to the output of the adjustable current stabilizer and the point where the input voltage of the converter is connected to the input of the adjustable current stabilizer and the input capacitor.

Description

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к области силовой преобразовательной техники, и может быть использована во вторичных источниках питания при необходимости обеспечения большой выходной мощности, высокой надежности, гальванической развязки, стабилизации и быстрого изменения выходного постоянного напряжения или тока в пределах от нуля до максимального значения.The utility model relates to electrical engineering, in particular to the field of power converting equipment, and can be used in secondary power sources if it is necessary to provide high output power, high reliability, galvanic isolation, stabilization and rapid change of the output DC voltage or current from zero to maximum values.

Известны обратно ходовые преобразователи, широко применяемые в устройствах для преобразования электрической энергии сети переменного тока в напряжения постоянного тока[1].Known reverse travel converters, widely used in devices for converting electrical energy from an AC network into DC voltage [1].

Недостатком таких преобразователей является низкий коэффициент полезного действия, а также сложность обеспечения регулировки выходного стабилизированного напряжения или тока от нулевого значения.The disadvantage of such converters is the low efficiency, as well as the difficulty of adjusting the output stabilized voltage or current from zero.

Известны полумостовые и мостовые преобразователи.Known half-bridge and bridge converters.

Недостатком последних являются низкие динамические характеристики, не высокая надежность и сложность схем управления [2, 3].The disadvantage of the latter are low dynamic characteristics, not high reliability and complexity of control circuits [2, 3].

Наиболее близок к предлагаемому устройству преобразователь из постоянного напряжения в постоянное стабилизированное напряжение или ток [4], в котором последний недостаток частично устранен.The closest to the proposed device is a converter from DC to DC stabilized voltage or current [4], in which the latter drawback is partially eliminated.

Прототип имеет следующие недостатки.The prototype has the following disadvantages.

1. Низкие динамические характеристики.1. Low dynamic performance.

2. Низкая надежность.2. Low reliability.

Цель полезной модели - повышение динамических характеристик и надежности преобразователей.The purpose of the utility model is to increase the dynamic characteristics and reliability of the converters.

Указанная цель достигается тем, что в преобразователь, включающий в себя входной конденсатор; регулируемый стабилизатор тока, состоящий из ключевого элемента, диода, дросселя и датчика тока; мостовой преобразователь, имеющий четыре ключевых элемента, трансформатор, выпрямитель и выходной конденсатор; датчик выходного тока и схему управления, отличающийся тем, что на входе мостового преобразователя отсутствует конденсатор и между входом мостового преобразователя, соединенным с выходом регулируемого стабилизатора тока, и точкой подключения входного напряжения преобразователя к входу регулируемого стабилизатора тока и входному конденсатору, установлен диод.This goal is achieved by the fact that in the Converter, which includes an input capacitor; adjustable current stabilizer, consisting of a key element, a diode, an inductor and a current sensor; a bridge converter having four key elements, a transformer, a rectifier and an output capacitor; an output current sensor and a control circuit, characterized in that there is no capacitor at the input of the bridge converter and a diode is installed between the input of the bridge converter connected to the output of the adjustable current stabilizer and the connection point of the input voltage of the converter to the input of the adjustable current stabilizer and the input capacitor.

На Фиг.1 показана упрощенная структурная схема преобразователя. Преобразователь (Фиг.1), включает в себя входной конденсатор 1; регулируемый стабилизатор тока 2, состоящий из ключевого элемента 3, диода 4, дросселя 5 и датчика тока 6; мостовой преобразователь 7, имеющий четыре ключевых элемента (8, 9, 10, 11), трансформатор 12, выпрямитель 13 и выходной конденсатор 14; датчик выходного тока 15 и схему управления 16, при этом, на входе мостового преобразователя 7 отсутствует конденсатор и между входом мостового преобразователя, соединенным с выходом регулируемого стабилизатора тока 2, и точкой подключения входного напряжения преобразователя к входу регулируемого стабилизатора тока 2 и входному конденсатору 1, установлен диод 17.Figure 1 shows a simplified block diagram of a converter. The converter (FIG. 1) includes an input capacitor 1; adjustable current stabilizer 2, consisting of a key element 3, diode 4, inductor 5 and current sensor 6; a bridge converter 7 having four key elements (8, 9, 10, 11), a transformer 12, a rectifier 13, and an output capacitor 14; an output current sensor 15 and a control circuit 16, while there is no capacitor at the input of the bridge converter 7 and between the input of the bridge converter connected to the output of the adjustable current stabilizer 2 and the connection point of the input voltage of the converter to the input of the adjustable current stabilizer 2 and the input capacitor 1, installed diode 17.

Работает преобразователь следующим образом. К входным клеммам (U_вх) обычно подключают выпрямитель (однофазный или трехфазный) сетевого напряжения через устройство, ограничивающее максимальную величину зарядного тока через конденсатор 1 при первоначальном включении, или через корректор коэффициента мощности. Кроме того, преобразователи работают от источников постоянного напряжения, таких как батареи аккумуляторов, различные генераторы, солнечные батареи и т.д.The converter operates as follows. To the input terminals (U _Rin) commonly connected rectifier (single-phase or three-phase) AC voltage across the device limiting the maximum value of the charging current through the capacitor 1 at first turned on, or the power factor corrector. In addition, the converters operate from constant voltage sources such as battery batteries, various generators, solar panels, etc.

С появлением напряжения на конденсаторе 1, включается маломощный источник питания (на Фиг.1 не показан) и на элементы схемы управления 16, поступают питающие напряжения.With the appearance of voltage on the capacitor 1, a low-power power source is turned on (not shown in FIG. 1) and the supply voltage is supplied to the elements of the control circuit 16.

Схема управления 16 вырабатывает сигнал рассогласования выходного напряжения (U_вых) или тока преобразователя с установленными величинами и путем изменения величины выходного тока регулируемого стабилизатора тока 2, увеличивает или уменьшает количество электрической энергии, поступающей в нагрузку. Величина выходного тока регулируемого стабилизатора тока 2 контролируется схемой управления 16 по мгновенному значению и может изменяться в пределах от нуля до определенного максимального значения.The control circuit 16 generates a mismatch signal of the output voltage (U _o ) or current of the converter with the set values and, by changing the output current of the adjustable current stabilizer 2, increases or decreases the amount of electric energy supplied to the load. The value of the output current of the adjustable current stabilizer 2 is controlled by the control circuit 16 by the instantaneous value and can vary from zero to a certain maximum value.

Особенностью работы ключевых элементов (8, 9, 10, 11) мостового преобразователя 7 является то, что они переключают не полярность напряжения, подаваемого на первичную обмотку трансформатора 12, а направление тока.A feature of the operation of the key elements (8, 9, 10, 11) of the bridge converter 7 is that they switch not the polarity of the voltage supplied to the primary winding of the transformer 12, but the current direction.

В случае если допускается достаточно большая величина выходного конденсатора 14, регулируемый стабилизатор тока 2 может работать в режиме прерывистых токов. При этом динамические потери в ключевых элементах 3, 8, 9, 10 и 11 будут минимальны.If a sufficiently large value of the output capacitor 14 is allowed, the adjustable current stabilizer 2 can operate in intermittent current mode. At the same time, dynamic losses in key elements 3, 8, 9, 10 and 11 will be minimal.

Транзисторы ключевых элементов (8, 9, 10 и 11) работают надежно при коротком замыкании на выходе преобразователя, насыщении сердечника трансформатора 12, коротком замыкании как вторичной, так и первичной обмоток трансформатора, различных неисправностях в трансформаторе и выпрямителе. Эта особенность значительно облегчает и удешевляет процесс изготовления предлагаемых преобразователей.The transistors of the key elements (8, 9, 10 and 11) work reliably with a short circuit at the output of the converter, saturation of the core of the transformer 12, a short circuit of both the secondary and primary windings of the transformer, various malfunctions in the transformer and rectifier. This feature greatly facilitates and reduces the cost of the manufacturing process of the proposed converters.

Если регулируемый стабилизатор тока работает в режиме непрерывных токов дросселя, после момента переключения транзисторов ключевых элементов, энергия, запасенная в индуктивностях рассеяния трансформатора, возвращается во входной конденсатор 1. При этом напряжение на входе мостового преобразователя повышается приблизительно до входного напряжения преобразователя и по диоду 17 протекает ток.If the adjustable current regulator operates in continuous choke current mode, after switching the transistors of the key elements, the energy stored in the dissipation inductors of the transformer is returned to the input capacitor 1. In this case, the voltage at the input of the bridge converter rises to approximately the input voltage of the converter and flows through diode 17 current.

В качестве ключевых элементов используются полевые или IGBT транзисторы, имеющие внутренний обратный диод. При использовании биполярных силовых транзисторов необходимо устанавливать обратные диоды.Field-effect or IGBT transistors having an internal reverse diode are used as key elements. When using bipolar power transistors, it is necessary to install reverse diodes.

В большинстве аналогов, сброс тока нагрузки приводит к всплеску выходного напряжения преобразователя, что связано с переходом энергии из дросселя и индуктивностей рассеяния трансформатора в выходной конденсатор. Для уменьшения амплитуды всплеска в предлагаемом преобразователе, схема управления 16 одновременно замыкает ключевые элементы 10 и 11, а ключевые элементы 8 и 9 размыкает. Принципиальной разницы нет, если будут замыкаться ключевые элементы 8 и 9, а ключевые элементы 10 и 11 размыкаться. В результате этого, запасенная в дросселе 5 энергия возвращается в конденсатор 1, а энергия, запасенная в индуктивностях рассеяния первичной обмотки трансформатора 12, циркулируя по короткозамкнутому контуру, выделяется в виде тепла. Кроме того, в результате замыкания первичной обмотки трансформатора 12, уменьшается часть энергии, запасенной в индуктивностях рассеяния вторичной обмотки трансформатора 12, которая переходит в конденсатор 14.In most analogs, dumping the load current leads to a surge in the output voltage of the converter, which is associated with the transfer of energy from the inductor and the inductance of the transformer to the output capacitor. To reduce the amplitude of the surge in the proposed Converter, the control circuit 16 simultaneously closes the key elements 10 and 11, and the key elements 8 and 9 opens. There is no fundamental difference if key elements 8 and 9 are closed, and key elements 10 and 11 open. As a result of this, the energy stored in the inductor 5 is returned to the capacitor 1, and the energy stored in the dissipation inductances of the primary winding of the transformer 12, circulating along the short-circuited circuit, is released as heat. In addition, as a result of the closure of the primary winding of the transformer 12, the part of the energy stored in the dissipation inductances of the secondary winding of the transformer 12, which is transferred to the capacitor 14, decreases.

Преимущества предлагаемого преобразователя заключаются в следующем.The advantages of the proposed Converter are as follows.

1. Мощные импульсные регулируемые преобразователи, имеют недостаток, заключающийся в том, что при сбросе тока нагрузки, появляется всплеск выходного напряжения. Уменьшают величину этого всплеска до приемлемого значения обычно путем увеличения емкости выходного конденсатора.1. Powerful pulse adjustable converters have the disadvantage that when the load current is reset, a surge in the output voltage appears. Reduce the magnitude of this surge to an acceptable value, usually by increasing the capacity of the output capacitor.

Особенно остро эта проблема стоит в преобразователях с регулировкой выходного напряжения от нулевого значения, так как одна и та же энергия, добавленная в выходной конденсатор при минимальном и максимальном значениях напряжения на конденсаторе, дает кардинально отличающиеся величины всплеска выходного напряжения.This problem is especially acute in converters with adjustment of the output voltage from a zero value, since the same energy added to the output capacitor at the minimum and maximum values of the voltage across the capacitor gives radically different values of the output voltage spike.

В предлагаемом преобразователе при сбросе тока нагрузки запасенная в дросселе энергия переходит в конденсатор на входе преобразователя и не вызывает всплеска выходного напряжения, поэтому по сравнению с прототипом преобразователь имеет более высокие динамические характеристики.In the proposed converter, when the load current is dumped, the energy stored in the inductor is transferred to the capacitor at the input of the converter and does not cause a surge in the output voltage, therefore, in comparison with the prototype, the converter has higher dynamic characteristics.

Можно утверждать, что преобразователь постоянного напряжения в постоянное прототипа [4] имеет на входе конденсатор, это приводит к снижению надежности, так как токи через транзисторы мостовой схемы могут превышать допустимые значения, например, при коротком замыкании на выходе. Если предположить, что на входе преобразователя постоянного напряжения в постоянное прототипа конденсатор отсутствует, то всплески напряжения на транзисторах мостовой схемы в процессе переключения могут превышать допустимые значения и в результате снижается надежность.It can be argued that the DC / DC converter of the prototype [4] has a capacitor at the input, this leads to a decrease in reliability, since the currents through the transistors of the bridge circuit can exceed permissible values, for example, with a short circuit at the output. If we assume that there is no capacitor at the input of the DC-DC converter to the constant of the prototype, then the voltage spikes on the transistors of the bridge circuit during the switching process can exceed the permissible values and, as a result, the reliability decreases.

В предлагаемом преобразователе токи через ключевые элементы мостового преобразователя не могут превышать величину тока дросселя (если не учитывать токи на перезаряд конденсаторов исток - сток и т.д.), а напряжения на ключевых элементах не может быть существенно выше входного напряжения преобразователя. По этому, надежность предлагаемого преобразователя выше надежности прототипа.In the proposed converter, the currents through the key elements of the bridge converter cannot exceed the magnitude of the inductor current (if you do not take into account the currents for the recharge of the capacitors source - drain, etc.), and the voltage on the key elements cannot be significantly higher than the input voltage of the converter. Therefore, the reliability of the proposed Converter is higher than the reliability of the prototype.

Источники информации,Information sources,

принятые во внимание при экспертизеtaken into account during the examination

1. Data Sheet TOP242-250.1. Data Sheet TOP242-250.

2. Data sheet LM5035.2. Data sheet LM5035.

3. ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НА IGBT ДЛЯ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА. Поляков В.Д., Чаколья Э. Международная научно-техническая конференция "Силовая электроника и энергоэффективность" (СЭЭ-2000). Крым. Сентябрь 2000 г.3. HIGH FREQUENCY CONVERTER ON IGBT FOR INDUCTION HEATING. Polyakov VD, Chakolya E. International scientific and technical conference "Power Electronics and Energy Efficiency" (SEE-2000). Crimea. September 2000

4. Авторское свидетельство СССР №1089593, кл. G06G 7/63, 1984.4. Copyright certificate of the USSR No. 1089593, cl. G06G 7/63, 1984.

Claims

A converter including an input capacitor; adjustable current stabilizer, consisting of a key element, a diode, an inductor and a current sensor; a bridge converter having four key elements, a transformer, a rectifier and an output capacitor; an output current sensor and a control circuit, characterized in that a diode is installed between the input of the bridge converter connected to the output of the adjustable current stabilizer and the connection point of the input voltage of the converter to the input of the adjustable current stabilizer and the input capacitor.