RU2214671C2

RU2214671C2 - Step-up dc-to-dc voltage changer

Info

Publication number: RU2214671C2
Application number: RU2001117634/09A
Authority: RU
Inventors: М.Ю. Кастров; А.В. Лукин; Г.М. Малышков; А.А. Герасимов
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Малое многопрофильное предприятие - Ирбис"
Priority date: 2001-06-28
Filing date: 2001-06-28
Publication date: 2003-10-20

Abstract

FIELD: electronic engineering; motor-vehicle and telecommunication equipment. SUBSTANCE: voltage changer designed to feed low-voltage electronic devices has controlled power switch whose input is connected to common bus, control input, to that of step-up voltage changer, and output, through transformer primary winding to input lead, to first lead of transformer secondary winding, to anode of first diode whose cathode is connected through capacitor to common bus; second lead of transformer secondary winding is connected to anode of second diode. Novelty is introduction of third diode whose cathode is connected to output lead, as well as inductance coil and fourth diode. Total energy of leakage inductance of transformer windings and partially magnetizing energy of its primary winding are transferred to load during offstate of power switch (space) and voltage changer functions as step-up device, that is, losses are changed into output voltage. EFFECT: enhanced efficiency due to reduced ripples and surges across power switch. 1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к электронике и может быть использовано в системах питания приборов с низким напряжением в качестве повышающего преобразователя постоянного напряжения в постоянное, например, в автомобильной технике, в телекоммуникационном оборудовании. The invention relates to electronics and can be used in power systems of devices with low voltage as a step-up DC-DC converter, for example, in automotive engineering, in telecommunication equipment.

Известен однотактный преобразователь постоянного напряжения в постоянное, содержащий управляемый силовой ключ, подключенный к входным выводам через первую первичную обмотку трансформатора, первый вывод второй первичной обмотки которого подключен к цепи, состоящей из последовательно соединенного дросселя и первого диода, которая через конденсатор подключена к выходу управляемого силового ключа, шунтированного вторым диодом, и через третий диод к входному выводу, к первой первичной обмотке трансформатора, вторичная обмотка которого через четвертый диод и фильтр подключена к выходным выводам (см. а.с. СССР 1775814, H 02 M 3/335, 1991 г.)
Недостатки данного преобразователя заключаются в снижении надежности и КПД из-за импульсных перегрузок и помех во время переключения транзистора.Known single-phase DC-DC to DC Converter containing a controlled power switch connected to the input terminals through the first primary winding of the transformer, the first output of the second primary winding of which is connected to a circuit consisting of a series-connected inductor and a first diode, which is connected via a capacitor to the output of the controlled power a key shunted by the second diode, and through the third diode to the input terminal, to the first primary winding of the transformer, the secondary winding of which Erez fourth diode and a filter connected to the output terminals (see. AS USSR 1775814, H 02 M 3/335, 1991 YG)
The disadvantages of this converter are the decrease in reliability and efficiency due to pulse overloads and interference during the switching of the transistor.

Известен однотактный преобразователь постоянного напряжения в постоянное, содержащий управляемый силовой ключ, выход которого подключен через первичную обмотку трансформатора к первому входному выводу, к катоду первого диода, анод которого подключен через последовательно соединенные конденсатор и первый дроссель к выходу управляемого силового ключа и через второй дроссель ко второму входному выводу, ко входу управляемого силового ключа, управляющий вход которого подключен к входу управления преобразователя, вторичная обмотка трансформатора подключена через второй диод к нагрузке (см. п. России 2069445, Н 02 М 3/335, 1996 г.)
Недостатки преобразователя заключаются в снижении надежности из-за пульсаций напряжения во время переключения транзистора, в ограничении области применения из-за низкой частоты переключении.Known single-phase DC-DC to DC Converter containing a controlled power switch, the output of which is connected through the primary winding of the transformer to the first input terminal, to the cathode of the first diode, the anode of which is connected through a series-connected capacitor and the first inductor to the output of the controlled power switch and through the second inductor to the second input terminal, to the input of a controlled power switch, the control input of which is connected to the control input of the Converter, the secondary winding of the trans shaper is connected via a second diode to the load (see. n. 2069445 Russia, H 02 M 3/335, 1996 YG)
The disadvantages of the converter are a decrease in reliability due to voltage ripples during the switching of the transistor, in limiting the scope due to the low switching frequency.

Известен однотактный преобразователь постоянного напряжения в постоянное для низкого напряжения, содержащий подключенные к входным выводам последовательно соединенные первый и второй управляемые силовые ключи, каждый из которых шунтирован цепочкой, состоящей из конденсатора и одной из двух первичной обмотки трансформатора, при этом выводы конденсаторов, не связанные с входными выводами, объединены, первая и вторая вторичные обмотки трансформатора одними выводами подключены через соответствующие первый и второй управляемые силовые ключи к первому выходному выводу, другие выводы первой и второй вторичных обмоток трансформатора объединены и подключены ко второму выходному выводу (см. п. США 5481449, НКИ 363-17, 1996 г.). Known single-phase DC-DC to DC to low voltage, containing connected to the input terminals are connected in series to the first and second controlled power switches, each of which is shunted by a circuit consisting of a capacitor and one of the two primary windings of the transformer, while the capacitor leads are not connected input terminals, combined, the first and second secondary windings of the transformer with one terminal connected through the corresponding first and second controlled power the keys to the first output terminal, other terminals of the first and second secondary windings of the transformer are combined and connected to the second output terminal (see US 5481449, NKI 363-17, 1996).

Недостатки преобразователя заключаются в емкостных потерях при включении и помехах из-за резких изменений напряжения при переключении, вследствие чего снижается надежность и КПД преобразователя. The disadvantages of the converter are capacitive losses during switching on and interference due to sudden changes in voltage during switching, which reduces the reliability and efficiency of the converter.

Известен повышающий преобразователь для низкого напряжения, содержащий подключенные к источнику постоянного напряжения последовательно соединенные первичную обмотку трансформатора и управляемый силовой ключ, первый вывод вторичной обмотки трансформатора подключен к выходу управляемого силового ключа, к аноду первого диода, к первому выводу первого конденсатора, второй вывод вторичной обмотки трансформатора подключен к аноду второго диода, катод которого подключен к второму выводу первого конденсатора, к аноду третьего диода, катод которого подключен к катоду первого диода, к входу блока управления и через второй конденсатор подключен к входу управляемого силового ключа, при этом выход блока управления подключен к входу управляемого силового ключа (см. п. США 6175219, НКИ 323-222, 2000 г.). Known step-up Converter for low voltage, containing connected to a source of constant voltage connected in series to the primary winding of the transformer and a controlled power switch, the first output of the secondary winding of the transformer is connected to the output of the controlled power switch, to the anode of the first diode, to the first output of the first capacitor, the second output of the secondary winding the transformer is connected to the anode of the second diode, the cathode of which is connected to the second terminal of the first capacitor, to the anode of the third diode, which is connected to the cathode of the first diode, to the input of the control unit and through the second capacitor is connected to the input of the controlled power switch, while the output of the control unit is connected to the input of the controlled power switch (see U.S. 6175219, NKI 323-222, 2000) .

Недостатки преобразователя заключаются в перенапряжении, а также больших пульсациях, возникающих на силовом ключе при его переключении. Кроме того, регулировочные характеристики его зависят от нагрузки, и при ее изменениях частота переключении должна регулироваться в широких пределах для обеспечения стабилизации выходного напряжения. The disadvantages of the converter are overvoltage, as well as large ripples arising on the power key when it is switched. In addition, its adjustment characteristics depend on the load, and when it changes, the switching frequency must be regulated over a wide range to ensure stabilization of the output voltage.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение КПД и надежности за счет снижения пульсаций и перенапряжений на силовом ключе. The technical result of the invention is to increase efficiency and reliability by reducing ripple and overvoltage on a power key.

Результат достигается тем, что в повышающий преобразователь постоянного напряжения в постоянное, содержащий управляемый силовой ключ, вход которого подключен к общей шине, управляющий вход - к входу управления повышающего преобразователя, выход через первичную обмотку трансформатора подключен к входному выводу, к первому выводу вторичной обмотки трансформатора, к аноду первого диода, катод которого через конденсатор подключен к общей шине, второй вывод вторичной обмотки трансформатора подключен к аноду второго диода, а также третий диод, катод которого подключен к выходному выводу, введены индуктивность и четвертый диод, причем первый вывод индуктивности подключен к точке соединения катода первого диода и конденсатора, второй вывод через прямовключенный четвертый диод подключен к выходному выводу, к которому подключен катод второго диода, анод третьего диода подключен к точке соединения первичной и вторичной обмоток трансформатора. The result is achieved in that a step-up DC-DC converter contains a controlled power switch, the input of which is connected to a common bus, a control input - to the control input of a step-up converter, the output through the primary winding of the transformer is connected to the input terminal, to the first terminal of the secondary transformer winding to the anode of the first diode, the cathode of which is connected via a capacitor to a common bus, the second terminal of the secondary winding of the transformer is connected to the anode of the second diode, as well as the third the one whose cathode is connected to the output terminal, the inductance and the fourth diode are introduced, the first inductance terminal being connected to the junction point of the first diode and the capacitor, the second terminal through the fourth diode connected directly to the output terminal to which the cathode of the second diode, the anode of the third diode connected to the connection point of the primary and secondary windings of the transformer.

Суммарная энергия индуктивности рассеивания обмоток трансформатора и частично энергия намагничивания первичной обмотки его передается в нагрузку во время закрытого состояния ключа (паузы), и преобразователь работает как повышающий, т.е. потери преобразуются в выходное напряжение. The total energy of the dissipation inductance of the transformer windings and partially the magnetization energy of its primary winding is transferred to the load during the closed state of the key (pause), and the converter works as a boost, i.e. losses are converted to output voltage.

На фиг. 1 представлена электрическая схема повышающего преобразователя постоянного напряжения в постоянное, на фиг.2а-д - диаграммы, поясняющие его работу (на фиг. 2а - диаграмма выходного напряжения на управляемом силовом ключе, на фиг.2б - диаграмма выходного тока управляемого силового ключа, на фиг. 2в - диаграмма тока первого диода, на фиг.2г - диаграмма токов второго, третьего и четвертого диодов, на фиг.2д - диаграмма напряжения на конденсаторе). In FIG. 1 is a circuit diagram of a step-up DC-DC to DC converter, FIGS. 2a-e are diagrams explaining its operation (FIG. 2a is a diagram of an output voltage on a controlled power key, FIG. 2b is a diagram of an output current of a controlled power switch, Fig. 2c is a diagram of the current of the first diode, Fig. 2d is a diagram of the currents of the second, third and fourth diodes, Fig. 2d is a diagram of the voltage across the capacitor).

Повышающий преобразователь содержит управляемый силовой ключ 3, выход которого подключен через первичную обмотку 2 трансформатора 5 к входному выводу 1, вход управляемого силового ключа 3 подключен к общей шине 14, управляющий вход его подключен к входу управления 4 преобразователя, выход силового ключа 3 подключен к аноду первого 9 диода, к первому выводу вторичной обмотки 6 трансформатора 5, к аноду третьего 8 диода, катод которого подключен к выходному выводу 13, к которому через встречновключенный второй 7 диод подключен второй вывод вторичной 6 обмотки трансформатора 5, катод первого 9 диода подключен через конденсатор 10 к общей шине 14 и через цепь, состоящую из последовательно соединенных индуктивности 11 и прямовключенного четвертого диода 12, - к выходному выводу, к которому подключена нагрузка. The boost converter contains a controlled power switch 3, the output of which is connected through the primary winding 2 of the transformer 5 to the input terminal 1, the input of the controlled power switch 3 is connected to a common bus 14, its control input is connected to the control input 4 of the converter, the output of the power switch 3 is connected to the anode the first 9 diodes, to the first terminal of the secondary winding 6 of the transformer 5, to the anode of the third 8 diodes, the cathode of which is connected to the output terminal 13, to which the second terminal of the secondary is connected through an interconnected second 7 diode 6 th winding of the transformer 5, 9 of the first diode cathode is connected through a capacitor 10 to common bus 14 and through the circuit consisting of serially connected inductors 11 and pryamovklyuchennogo fourth diode 12, - to the output terminal that is connected to the load.

В качестве ключа выбран МОП-транзистор, имеющий "паразитный" диод на выходе. Для бесперебойной работы преобразователя коэффициент трансформации выбирают из расчета t имп/t паузы 5. As a key, a MOS transistor having a "spurious" diode at the output is selected. For the trouble-free operation of the Converter, the transformation ratio is selected from the calculation of t imp / t pause 5.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

В исходном состоянии токи в обмотках 2 и 6 трансформатора 5 отсутствуют. При подаче управляющего сигнала на вход 4 управляемого силового ключа 3 последний открывается и ток через ключ 3 нарастает от нуля (фиг.2б). На вторичной обмотке 6 наводится эдс, и через диод 7 протекает ток (фиг.2г) по цепи - обмотка 6, диод 7, нагрузка 13, общая шина 14, "паразитный" диод ключа 3. In the initial state, currents in the windings 2 and 6 of the transformer 5 are absent. When a control signal is supplied to the input 4 of the controlled power switch 3, the latter opens and the current through the switch 3 rises from zero (Fig.2b). An emf is induced on the secondary winding 6, and a current flows through diode 7 (Fig. 2d) along the circuit - winding 6, diode 7, load 13, common bus 14, "spurious" diode of key 3.

При переходе силового ключа 3 из открытого состояния в закрытое напряжение на нем нарастает плавно (фиг.2а), т.к. параллельно ключу 3 подключен через диод 9 конденсатор 10, при этом ток стока ключа 3 практически мгновенно спадает до нуля (фиг.2б). При выключении ключа 3 напряжение на нем увеличивается, но открывается диод 9 (фиг.2в), и происходит заряд конденсатора 10 (фиг. 2д), сдерживающий нарастание напряжения на ключе 3 и гарантируя выключение его при малых уровнях напряжения. Upon the transition of the power switch 3 from an open state to a closed voltage, it builds up smoothly (Fig. 2a), because in parallel with the key 3, a capacitor 10 is connected through the diode 9, while the drain current of the key 3 almost instantly drops to zero (fig.2b). When you turn off the key 3, the voltage on it increases, but the diode 9 opens (Fig.2c), and the capacitor 10 charges (Fig. 2e), which restrains the increase in voltage on the key 3 and ensures that it is turned off at low voltage levels.

Перекрытие времен спадания тока через ключ 3 и увеличения напряжения на нем, таким образом, существенно уменьшается, поэтому и коммутационные потери при выключении практически отсутствуют. The overlap of the times of current subsidence through switch 3 and an increase in voltage across it, thus, is significantly reduced, therefore, switching losses during shutdown are practically absent.

За счет энергии, накопленной во вторичной обмотке 6 трансформатора 5, ток через диод 7 некоторое время будет протекать (постепенно спадая до нуля) (фиг. 2г). При этом диод 8 закрыт. Как только ток через диод 7 спадет до нуля, открывается диод 8 и через него в нагрузку 13 будет протекать ток за счет энергии, накопленной в индуктивности первичной обмотки 2 трансформатора 5. В это же время конденсатор 10 начинает разряжаться через индуктивность 11, диод 12 на нагрузку 13, при этом индуктивность 11 сдерживает ток. В результате во время паузы в нагрузку передается суммарная энергия индуктивности рассеивания обмоток 2 и 6 трансформатора 5 и частично энергия намагничивания обмотки 2, преобразователь работает как повышающий. Энергия, которая должна пойти на нагрев, преобразуется в выходное напряжения. В нагрузку передается значительная часть энергии возможных коммутационных потерь, на управляемом силовом ключе 3 снимаются перенапряжения и меньше пульсации, в результате повышается надежность и КПД преобразователя. Due to the energy stored in the secondary winding 6 of the transformer 5, the current through the diode 7 will flow for some time (gradually falling to zero) (Fig. 2d). In this case, the diode 8 is closed. As soon as the current through the diode 7 drops to zero, the diode 8 opens and the current flows through the load 13 due to the energy stored in the inductance of the primary winding 2 of the transformer 5. At the same time, the capacitor 10 starts to discharge through the inductance 11, diode 12 to load 13, while the inductance 11 holds the current. As a result, during a pause, the total energy of the dissipation inductance energy of the windings 2 and 6 of the transformer 5 and partially the magnetization energy of the winding 2 are transferred to the load, the converter works as a boost. The energy that should go to heat is converted into output voltage. A significant part of the energy of possible switching losses is transferred to the load, overvoltage and less ripple are removed on the controlled power key 3, as a result, the reliability and efficiency of the converter are increased.

В следующий момент включения ключа 3 ток через диод 8 еще некоторое время будет протекать, постепенно спадая до нуля. Ток через индуктивность 11 и диод 12 и нагрузку протекает непрерывно (фиг.2г), имеет пульсирующую форму за счет обмена энергиями в конденсаторе 10 и индуктивности 11. At the next moment of switching on the key 3, the current through the diode 8 will flow for some time, gradually falling to zero. The current through the inductance 11 and the diode 12 and the load flows continuously (Fig.2d), has a pulsating form due to the exchange of energy in the capacitor 10 and inductance 11.

На основе однотактного преобразователя повышающего типа создан преобразователь, который является псевдодвухтактным и которому присущи низкие потери при переключении, т. к. переключение силового ключа происходит при нулевом напряжении. Рабочая частота повышающего преобразователя остается постоянной, т.е. преобразователь не требует настройки и регулировки. On the basis of a one-cycle boost converter, a converter is created that is pseudo-two-stroke and which has low switching losses, since the power switch is switched at zero voltage. The operating frequency of the boost converter remains constant, i.e. the converter does not require adjustment and adjustment.

Claims

A step-up DC-DC converter containing a controlled power switch, the input of which is connected to a common bus, a control input - to the control input of a step-up converter, the output through the primary winding of the transformer is connected to the input terminal, to the first terminal of the secondary winding of the transformer, to the anode of the first diode, the cathode of which is connected to a common bus through a capacitor, the second terminal of the secondary winding of the transformer is connected to the anode of the second diode, and the third diode, the cathode of which is connected to to the output terminal, characterized in that the inductance and the fourth diode are introduced, the first inductance terminal connected to the junction point of the first diode and the capacitor, the second terminal connected through the fourth diode directly connected to the output terminal to which the cathode of the second diode is connected, the anode of the third diode is connected to the connection point of the primary and secondary windings of the transformer.