RU2267218C1 - Constant voltage transformer - Google Patents

Constant voltage transformer Download PDF

Info

Publication number
RU2267218C1
RU2267218C1 RU2004121368/09A RU2004121368A RU2267218C1 RU 2267218 C1 RU2267218 C1 RU 2267218C1 RU 2004121368/09 A RU2004121368/09 A RU 2004121368/09A RU 2004121368 A RU2004121368 A RU 2004121368A RU 2267218 C1 RU2267218 C1 RU 2267218C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
additional
capacitor
output
voltage
diodes
Prior art date
Application number
RU2004121368/09A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
В.А. Александров (RU)
В.А. Александров
С.П. Гокин (RU)
С.П. Гокин
Ю.Я. Кокорин (RU)
Ю.Я. Кокорин
В.В. Ткалич (RU)
В.В. Ткалич
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор" filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор"
Priority to RU2004121368/09A priority Critical patent/RU2267218C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2267218C1 publication Critical patent/RU2267218C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

FIELD: transforming equipment engineering, can be used as transformer of constant voltage to constant voltage for secondary power systems.
SUBSTANCE: constant voltage transformer has key amplifier, electric power buses of which are connected to primary voltage buses, set-point generator connected by direct and inversed outputs accordingly to first and second inputs of key amplifier, output of which through serially connected throttle and capacitor is connected to middle point of capacity splitter, while in parallel to capacitor primary winding of transformer is connected, secondary winding of which through rectifier and capacity filter is connected to secondary voltage buses. Device additionally has first and second switch-on delay circuits, first and second diodes and second capacity splitter, connected between primary voltage buses and connected by middle point to output of key amplifier, first and second inputs of which through first and second switch-on delay circuits are connected to direct and inverse outputs of set-point generator, while first and second diodes are connected serially via back conductivity between primary voltage buses, and middle point of diodes connection is connected to point of connection of throttle and capacitor. Also provided is circuit of constant voltage transformer, operating for multi-channel load.
EFFECT: increased stability of loading characteristics due to implementation of additional recuperative diodes (diodes, through which process of returning of accumulated energy of power source back into power source occurs), and also better quality characteristics of secondary voltages by means of providing of quasi-resonance trajectory of alteration of output voltage of key amplifier, which is especially important during operation of device for multi-channel load.
2 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в качестве преобразователей постоянного напряжения в постоянное для систем вторичного электропитания.The invention relates to a conversion technique and can be used as DC to DC converters for secondary power systems.

Известны трансформаторы постоянного напряжения (ТПН), предназначенные для преобразования постоянного напряжения первичной сети в постоянное напряжение одного либо нескольких источников вторичной сети [1]. В отличие от широкого класса управляемых и стабилизированных источников вторичного электропитания группа ТПН объединяет неуправляемые преобразователи, обеспечивающие гальваническую развязку и трансформаторное согласование первичного и вторичных напряжений.Known transformers of constant voltage (CT), designed to convert a constant voltage of the primary network into a constant voltage of one or more sources of the secondary network [1]. Unlike a wide class of controlled and stabilized sources of secondary power supply, the TPN group combines uncontrolled converters that provide galvanic isolation and transformer coordination of primary and secondary voltages.

Основой реализации ТПН является инвертор, преобразующий первичное постоянное напряжение в переменное напряжение, которое трансформируется до необходимых значений и выпрямляется, образуя источники с заданными вторичными напряжениями.The basis of the SSC implementation is an inverter that converts the primary DC voltage to alternating voltage, which is transformed to the required values and rectified, forming sources with specified secondary voltages.

В известных ТПН могут использоваться инверторы с внешним возбуждением, выполненные по двухтактным [2] либо полумостовым [3] схемам транзисторных ключевых усилителей мощностей (КУМ). В состав известных устройств входят ключевой усилитель мощности, шины питания которого соединены с шинами первичного напряжения, входы управления подключены к выходам задающего генератора, а выходы подключены к первичной обмотке трансформатора, вторичные обмотки которого через выпрямитель и выходной фильтр соединены с шинами вторичного напряжения [2, 3].Known SPSs can use inverters with external excitation made according to push-pull [2] or half-bridge [3] circuits of transistor key power amplifiers (KUM). The composition of known devices includes a key power amplifier, the power bus of which is connected to the primary voltage buses, the control inputs are connected to the outputs of the master oscillator, and the outputs are connected to the primary winding of the transformer, the secondary windings of which are connected through the rectifier and output filter to the secondary voltage buses [2, 3].

Использование ключевого режима работы и высокой частоты переключений (десятки и сотни кГц) транзисторов КУМ позволяет повысить КПД преобразования и заметно снизить массу и габариты известных ТПН по сравнению с силовыми трансформаторами промышленной частоты (50 Гц). Внешнее управление транзисторов КУМ, выполненных по известным схемам [2, 3], осуществляется от задающего генератора противофазными сигналами типа меандр. В результате на первичных и вторичных обмотках трансформатора формируется симметричное импульсное напряжение, что обеспечивает формирование вторичных напряжений при минимальных габаритах выходных фильтров. Достоинствами известных ТПН являются стабильные нагрузочные характеристики в условиях изменения выходного тока в широких пределах, вместе с тем выделенное преимущество связано с потерей устойчивости работы в пусковых режимах при работе на емкостной фильтр, а также при токовой перегрузке и коротком замыкании нагрузки. Другим недостатком известных устройств является повышенный уровень высокочастотных (ВЧ) помех, связанных с импульсным формированием фронтов выходного напряжения и прерыванием контуров протекания тока. В элементах КУМ при типовой мощности от 100 до 1000 Вт, нагруженных непосредственно на выходной трансформатор, наблюдается изменение потенциалов со скоростью более 1000 В/мкс при изменении тока более чем на 100 А/мкс. Такие импульсные процессы приводят к кондуктивным и индуктивным ВЧ помехам, проникающим в шины вторичных напряжений, что ухудшает характеристики качества выходных напряжений известных ТПН и препятствует их применению в функциональной аппаратуре с повышенными требованиями электромагнитной совместимости (ЭМС).Using a key operating mode and a high switching frequency (tens and hundreds of kHz) of KUM transistors can increase the conversion efficiency and significantly reduce the weight and dimensions of the well-known transformer transformers compared to power transformers of industrial frequency (50 Hz). The external control of KUM transistors made according to well-known schemes [2, 3] is carried out from the master oscillator by antiphase square wave signals. As a result, a symmetrical pulse voltage is formed on the primary and secondary windings of the transformer, which ensures the formation of secondary voltages with the minimum dimensions of the output filters. The advantages of the well-known SSCs are stable load characteristics in the conditions of changing the output current over a wide range, however, the highlighted advantage is associated with a loss of stability in starting conditions when working on a capacitive filter, as well as with current overload and short circuit load. Another disadvantage of the known devices is the increased level of high-frequency (HF) interference associated with the pulse formation of the fronts of the output voltage and the interruption of the current paths. In KUM elements with a typical power of 100 to 1000 W, loaded directly on the output transformer, there is a change in potentials with a speed of more than 1000 V / μs when the current changes by more than 100 A / μs. Such pulsed processes lead to conductive and inductive RF interference penetrating into secondary voltage buses, which worsens the quality characteristics of the output voltages of known SSCs and prevents their use in functional equipment with increased requirements of electromagnetic compatibility (EMC).

Техническим решением, наиболее близким к предлагаемому по совокупности существенных признаков, является ТПН, описанный в статье [4]. В ТПН-прототипе устранены недостатки известных устройств посредством введения резонансной цепи, содержащей дроссель, включенный на выходе КУМ, и конденсатор, соединенный параллельно первичной обмотке трансформатора. Тем самым в ТПН реализуется инвертор резонансного типа, чем обеспечиваются улучшенные характеристики ЭМС и устойчивость работы в режиме токовой перегрузки и короткого замыкания.The technical solution closest to the one proposed in terms of the essential features is the WBC described in article [4]. In the TPN prototype, the disadvantages of the known devices are eliminated by introducing a resonant circuit containing a inductor connected at the output of the KUM and a capacitor connected in parallel with the primary winding of the transformer. Thus, a resonant type inverter is implemented in the CTL, which provides improved EMC characteristics and stability in the current overload and short circuit mode.

ТПН - прототип (фиг.1) содержит задающий генератор 1, ключевой усилитель 2 мощности, выполненный на ключевых элементах 2.1, 2.2, включенных по полумостовой схеме, дроссель 3, конденсатор 4, емкостной делитель 5, трансформатор 6, выпрямитель 7 и выходной емкостной фильтр 8.TPN - prototype (figure 1) contains a master oscillator 1, a key power amplifier 2, made on key elements 2.1, 2.2, included in a half-bridge circuit, a choke 3, a capacitor 4, a capacitive divider 5, a transformer 6, a rectifier 7 and an output capacitive filter 8.

Преимуществом полумостовой схемы, реализованной в ТПН-прототипе, является использование конденсаторов емкостного делителя 5 как в качестве фильтра по напряжению питания, так и в качестве разделительных для трансформатора 6, что эквивалентно формированию на выходе КУМ напряжений +Е и -Е, равных половине первичного напряжения электропитания Ео.The advantage of the half-bridge circuit implemented in the TPN prototype is the use of capacitors of a capacitive divider 5 both as a filter by supply voltage and as a separation for transformer 6, which is equivalent to the formation of voltage + E and -E at the output of the voltage factor equal to half the primary voltage power supply E about .

В известном устройстве (фиг.1) шины электропитания КУМ 2 и емкостного делителя 5 подключены параллельно к шинам первичного напряжения, входы управления КУМ 2 соединены с выходами задающего генератора, а выход через последовательно соединенные дроссель 3 и первичную обмотку трансформатора 6 подключен к средней точке емкостного делителя 5, в свою очередь первичная обмотка трансформатора соединена параллельно с конденсатором 4, а вторичная обмотка через соединенные последовательно выпрямитель 7 и выходной емкостной фильтр 8 подключена к шинам вторичного напряжения.In the known device (Fig. 1), the power supply lines of the KUM 2 and the capacitive divider 5 are connected in parallel to the primary voltage buses, the control inputs of the KUM 2 are connected to the outputs of the master oscillator, and the output is connected through a series-connected inductor 3 and the primary winding of the transformer 6 to the midpoint of the capacitive divider 5, in turn, the primary winding of the transformer is connected in parallel with the capacitor 4, and the secondary winding is connected in series with the rectifier 7 and the output capacitive filter 8 is connected to the bus secondary voltage.

Работа ТПН-прототипа осуществляется следующим образом. Задающий генератор 1 формирует два противофазных импульсных сигнала типа меандр, поступающие на входы управления ключевых элементов 2.1, 2.2 КУМ 2. В результате на выходе КУМ 2 формируется симметричное импульсное напряжение амплитудой Е=Ео/2, поступающее на вход резонансного фильтра, выполненного на дросселе 3 и конденсаторе 4. Изменение напряжения на конденсаторе 4 осуществляется по плавной траектории, определяемой резонансной частотойThe work of the TPN prototype is as follows. The master oscillator 1 generates two antiphase impulse signals of the meander type arriving at the control inputs of the key elements 2.1, 2.2 of the KUM 2. As a result, the output of the KUM 2 generates a symmetrical pulse voltage of amplitude E = E о / 2, which is fed to the input of a resonant filter made on the inductor 3 and capacitor 4. The voltage across capacitor 4 is varied along a smooth path determined by the resonant frequency

Figure 00000002
Figure 00000002

где L - индуктивность дросселя 3, СР - емкость конденсатора 4.where L is the inductance of the inductor 3, C P is the capacitance of the capacitor 4.

При нарастании напряжения на конденсаторе 4 до уровня Uн·KТ (где КТ - коэффициент трансформации трансформатора 6, Uн - выходное напряжение на нагрузке) ток iL дросселя 3 замыкается через трансформатор 6, диоды выпрямителя 7 и выходной емкостной фильтр 8 в нагрузку. Переключение ключевых элементов КУМ 2 обеспечивает изменение тока iL, перезаряд конденсатора 4 и формирование другой полуволны напряжения на входах выпрямителя.When the voltage on the capacitor 4 rises to the level of U n · K T (where K T is the transformation coefficient of the transformer 6, U n is the output voltage at the load), the current i L of the inductor 3 closes through the transformer 6, diodes of the rectifier 7 and the output capacitive filter 8 v load. Switching the key elements of KUM 2 provides a change in current i L , a recharge of the capacitor 4 and the formation of another half-wave voltage at the inputs of the rectifier.

Достоинством ТПН-прототипа является формирование трапециевидного (квазисинусоидального) напряжения на первичной обмотке трансформатора, что обуславливает улучшенные характеристики ЭМС. Однако изменение напряжения на выходе КУМ имеет импульсный характер, скорость изменения напряжения так же, как в известных устройствах [1-3], достигает 1000 В/мкс. Соответственно в ТПН-прототипе наблюдается кондуктивный перенос импульсных ВЧ помех в шины вторичного напряжения, что является недостатком ТПН.The advantage of the TPN prototype is the formation of a trapezoidal (quasi-sinusoidal) voltage on the primary winding of the transformer, which leads to improved EMC characteristics. However, the change in voltage at the output of the CMC is pulsed in nature, the rate of change in voltage, as in the known devices [1-3], reaches 1000 V / μs. Accordingly, in the TPN prototype, the conductive transfer of pulsed RF interference to the secondary voltage buses is observed, which is a disadvantage of the TPN.

Достоинством устройства-прототипа [4] по сравнению с известными ТПН [1-3] является также устойчивая работа в режимах токовой перегрузки и короткого замыкания. Действительно наличие дросселя 3 на выходе КУМ обеспечивает ограничение выходного тока, амплитуда которого в режиме короткого замыкания не превышает значенияThe advantage of the prototype device [4] in comparison with the known TPN [1-3] is also the stable operation in current overload and short circuit modes. Indeed, the presence of a choke 3 at the output of the KUM provides a limitation of the output current, the amplitude of which in the short circuit mode does not exceed the value

Figure 00000003
Figure 00000003

где ωn=2πfn - частота переключении КУМ, L - индуктивность дросселя 3, Е0 - напряжение питания.where ω n = 2πf n is the switching frequency of the KUM, L is the inductance of the inductor 3, E 0 is the supply voltage.

Таким образом, без токовой перегрузки могут быть обеспечены пусковые режимы и работа устройства на нагрузку сопротивлением меньше номинальной до короткого замыкания включительно.Thus, without current overload, starting conditions can be ensured and the device operates on a load with a resistance less than the rated one up to and including a short circuit.

Вместе с тем, ТПН-прототип обладает низкой стабильностью нагрузочных характеристик. С увеличением сопротивления нагрузке выходное напряжение возрастает. В режиме, близком к холостому ходу в элементах резонансной цепи (дроссель 3, конденсатор 4) и ключевых элементах КУМ 2, наблюдается неконтролируемое возрастание тока, приводящее к выходу из строя усилительных приборов.However, the TPN prototype has low stability of load characteristics. With increasing load resistance, the output voltage increases. In the mode close to idling in the elements of the resonant circuit (inductor 3, capacitor 4) and the key elements of KUM 2, an uncontrolled increase in current is observed, leading to failure of amplification devices.

При использовании в многоканальных системах электропитания низкая стабильность выходных напряжений ТПН-прототипа может приводить к зависимости вторичных напряжений отдельных потребителей от нагрузки других потребителей, что недопустимо и ограничивает область применения ТПН.When used in multi-channel power supply systems, the low stability of the output voltages of the TPN-prototype can lead to the dependence of the secondary voltages of individual consumers on the load of other consumers, which is unacceptable and limits the scope of TPN.

Задачей настоящего изобретения является повышение стабильности нагрузочных характеристик ТПН при улучшении характеристик качества выходных вторичных напряжений.The objective of the present invention is to increase the stability of the load characteristics of the WBC while improving the quality characteristics of the output secondary voltages.

Для решения поставленной задачи в известном ТПН, содержащем ключевой усилитель, шины электропитания которого подключены к входам первого емкостного делителя и к шинам первичного напряжения, задающий генератор, соединенный прямым и инверсным выходом соответственно к первому и второму входу ключевого усилителя, выход которого через последовательно соединенные дроссель и конденсатор подключен к средней точке емкостного делителя, причем параллельно конденсатору подключена первичная обмотка трансформатора, вторичная обмотка которого через выпрямитель и емкостной фильтр соединена с шинами вторичного напряжения, введены новые признаки, а именно первая и вторая схема задержки включения, первый и второй диоды и второй емкостной делитель, включенный между шинами первичного напряжения и подсоединенный средней точкой к выходу ключевого усилителя, первый и второй входы которого через первую и вторую схемы задержки включения соединены с прямым и инверсным выходом задающего генератора, при этом первый и второй диоды включены последовательно обратной проводимостью межу шинами первичного напряжения, а средняя точка соединения диодов подключена к точке соединения дросселя и конденсатора.To solve the problem in the well-known TPN containing a key amplifier, the power bus of which is connected to the inputs of the first capacitive divider and to the primary voltage buses, a master oscillator connected by a direct and inverse output, respectively, to the first and second input of the key amplifier, the output of which is through a series-connected inductor and the capacitor is connected to the midpoint of the capacitive divider, and in parallel with the capacitor is connected the primary winding of the transformer, the secondary winding of which is A rectifier and a capacitive filter are connected to the secondary voltage rails, new features are introduced, namely the first and second switching delay circuit, the first and second diodes and the second capacitive divider connected between the primary voltage rails and connected by the midpoint to the output of the key amplifier, the first and second whose inputs through the first and second switching delay circuits are connected to the direct and inverse output of the master oscillator, while the first and second diodes are connected in series with the reverse conductivity of the bus and the primary voltage, and the average point of connection of diodes connected to the throttle point connection and a capacitor.

Для многоканальной нагрузки, где обеспечивается формирование ряда групп вторичных напряжений для нескольких отдельных потребителей, в заявленный ТПН введены n дополнительных дросселей и n дополнительных конденсаторов, n дополнительных емкостных делителей и n дополнительных трансформаторов, каждый из которых содержит одну первичную и k вторичных обмоток, а также N=kn дополнительных выпрямителей и N дополнительных емкостных фильтров, причем n дополнительные дроссели и конденсаторы включены между выходом ключевого усилителя и средними точками соответствующих n дополнительных емкостных делителей, входы которых подключены к шинам первичного напряжения. В свою очередь первичные обмотки n дополнительных трансформаторов включены параллельно соответствующим n дополнительным конденсаторам, a k вторичных обмоток каждого из n дополнительных трансформаторов подключены через соответствующие последовательно включенные дополнительные выпрямители и емкостные фильтры к шинам N вторичных выходных напряжений.For a multi-channel load, where a number of secondary voltage groups are formed for several individual consumers, n additional chokes and n additional capacitors, n additional capacitive dividers and n additional transformers, each of which contains one primary and k secondary windings, are introduced into the declared FCL N = kn additional rectifiers and N additional capacitive filters, and n additional chokes and capacitors are connected between the output of the key amplifier and the midpoints s corresponding to n additional capacitive dividers, the inputs of which are connected to the buses of the primary voltage. In turn, the primary windings of n additional transformers are connected in parallel with the corresponding n additional capacitors, a k of the secondary windings of each of n additional transformers are connected through the corresponding series-connected additional rectifiers and capacitive filters to the buses N of the secondary output voltages.

Техническими результатами от использования изобретения являются повышение стабильности нагрузочных характеристик за счет применения дополнительных рекуперативных диодов (через которые идет процесс замыкания тока самоиндукции дросселя в емкостной фильтр, чем достигается возврат избыточной энергии резонансного фильтра), а также улучшение характеристик качества вторичных напряжений посредством обеспечения квазирезонансной траектории изменения выходного напряжения ключевого усилителя, что особенно важно при работе ТПН на многоканальную нагрузку.The technical results from the use of the invention are to increase the stability of the load characteristics due to the use of additional regenerative diodes (through which the process of closing the inductor self-induction current to the capacitive filter is carried out, which ensures the return of the excess energy of the resonant filter), as well as improving the quality characteristics of the secondary voltages by providing a quasi-resonant change path the output voltage of the key amplifier, which is especially important when working on a multi-channel transformer total load.

Сущность изобретения поясняется фиг.1-5, где на фиг.1 приведена структурная схема ТПН-прототипа, на фиг.2 - структурная схема предлагаемого ТПН, на фиг.3 - структурная схема ТПН для многоканальной нагрузки, на фиг.4 - временные диаграммы сигналов, поясняющие принцип действия заявленного технического решения, на фиг.5 - спектрограммы собственных шумов усилителей, приведенных к их входам, при питании аппаратуры от ТПН-прототипа (фиг.5а) и от предлагаемого ТПН (фиг.5б).The invention is illustrated in figures 1-5, where figure 1 shows the structural diagram of the WBC prototype, figure 2 is a structural diagram of the proposed WBC, figure 3 is a structural diagram of the WBC for multi-channel load, figure 4 is a timing diagram signals explaining the principle of operation of the claimed technical solution, Fig.5 is a spectrogram of the noise of the amplifiers, brought to their inputs, when the equipment is powered from the TPN prototype (Fig.5a) and from the proposed TPN (Fig.5b).

Предлагаемый ТПН (фиг.2) содержит задающий генератор 1, ключевой усилитель 2 мощности, выполненный на двух ключевых элементах 2.1, 2.2, дроссель 3, конденсатор 4, первый емкостной делитель 5, трансформатор 6, выпрямитель 7, емкостной фильтр 8, а также схемы 9, 10 задержки включения, выполненные на RD-цепях, второй емкостной делитель 11 и рекуперативные диоды 12, 13.The proposed WBC (Fig. 2) contains a master oscillator 1, a key power amplifier 2, made on two key elements 2.1, 2.2, a choke 3, a capacitor 4, a first capacitive divider 5, a transformer 6, a rectifier 7, a capacitive filter 8, and also circuits 9, 10 turn-on delays performed on RD circuits, a second capacitive divider 11, and regenerative diodes 12, 13.

Многоканальный ТПН для многоканальной нагрузки, представленный на фиг.3, содержит задающий генератор 1, схемы 9, 10 задержки включения, ключевой усилитель 2 мощности, первый емкостной делитель 5, второй емкостной делитель 11, а также n+1 каналов квазирезонансных трансформаторно-выпрямительных устройств, каждый канал i (где i=1...n+1) содержит дроссель 3i, конденсатор 4i, диоды 12i, 13i и трансформатор 6i с одной первичной и k вторичными обмотками, а также k выпрямителей 7.i.l...7.i.k и k емкостных фильтров 8.i.k.The multi-channel SSC for multi-channel load, shown in Fig. 3, contains a master oscillator 1, turn-on delay circuits 9, 10, a key power amplifier 2, a first capacitive divider 5, a second capacitive divider 11, and also n + 1 channels of quasi-resonant transformer-rectifier devices , each channel i (where i = 1 ... n + 1) contains a inductor 3i, a capacitor 4i, diodes 12i, 13i and a transformer 6i with one primary and k secondary windings, as well as k rectifiers 7.il..7.ik and k capacitive filters 8.ik

Предлагаемая схема ТПН обеспечивает формирование n+1 групп по k вторичных напряжений U.i.l...U.i.k с высокой стабильностью в условиях изменения нагрузки в широких пределах.The proposed SCC scheme provides the formation of n + 1 groups of k secondary voltages U.i.l ... U.i.k with high stability under conditions of load changes over a wide range.

Работа предлагаемого ТПН осуществляется следующим образом. Задающий генератор 1 формирует два противофазных импульсных сигнала, которые через схемы 9, 10 задержки включения поступают на входы управляемых ключевых элементов 2.1, 2.2. Схемы 9, 10 выполняются на RD-цепях (фиг.2), обеспечивающих плавное нарастание фронта управляющих напряжений U1, U2 на входах ключевых элементов 2.1, 2.2 и их быстрое выключение при формировании спада импульсов. Таким образом в предлагаемом ТПН реализуется задержка τ3 включения, во время которой ключевые элементы 2.1, 2.2 одновременно находятся в закрытом состоянии. При этом траектория изменения V выходного напряжения КУМ 2 формируется перезарядом емкостей делителя 11 током дросселя 3. Затем ток дросселя меняет направление и осуществляется перезаряд конденсатора 4 до напряжения Е, при котором открываются рекуперативные диоды 12 либо 13. При этом амплитуда напряжения на первичной обмотке остается неизменной для сопротивления нагрузки в диапазоне Rн>R0 от номинального значения до холостого хода. Соответственно поддерживается постоянство выпрямленного вторичного напряжения.The work of the proposed WBC is as follows. The master oscillator 1 generates two antiphase pulsed signals that, through the on-delay circuits 9, 10, are supplied to the inputs of the controlled key elements 2.1, 2.2. Schemes 9, 10 are performed on RD-circuits (Fig. 2), providing a smooth increase in the front of control voltages U 1 , U 2 at the inputs of key elements 2.1, 2.2 and their quick shutdown when forming a pulse decline. Thus, in the proposed WBC, a turn-on delay τ 3 is realized, during which the key elements 2.1, 2.2 are simultaneously in the closed state. In this case, the trajectory of the change in V of the output voltage of the KUM 2 is formed by recharging the capacitors of the divider 11 with the current of the inductor 3. Then, the inductor current changes direction and the capacitor 4 is recharged to voltage E, at which the regenerative diodes 12 or 13 open. At the same time, the voltage amplitude on the primary winding remains unchanged for load resistance in the range of R n > R 0 from the nominal value to idle. Accordingly, the constancy of the rectified secondary voltage is maintained.

В случае перегрузки при уменьшении сопротивления нагрузки Rн от номинального значения до короткого замыкания выходное напряжение уменьшается из условия поддержания максимальной амплитуды выходного тока.In the case of overload when the load resistance R n decreases from the nominal value to a short circuit, the output voltage decreases from the condition of maintaining the maximum amplitude of the output current.

Граничный режим работы при максимальной выходной мощности обеспечивается при равенстве Rн=R0. В этом случае вся энергия, запасенная в дросселе 3 при перезаряде конденсатора 4, передается в нагрузку за вычетом энергии, достаточной для перезаряда конденсаторов делителя 11.The boundary mode of operation at maximum output power is provided when the equality R n = R 0 . In this case, all the energy stored in the inductor 3 during the recharging of the capacitor 4 is transferred to the load minus the energy sufficient to recharge the capacitors of the divider 11.

Для каждого полупериода работы устройства можно выделить моменты времени t1, t2, t3, t4, t5 (фиг.4) и соответствующие временные интервалы, определяющие работу схемы,For each half-cycle of the device, you can select the time t 1 , t 2 , t 3 , t 4 , t 5 (figure 4) and the corresponding time intervals that determine the operation of the circuit,

Δt1.2 - временной интервал перезаряда суммарной емкости Со, конденсаторов второго емкостного делителя 11;Δt 1.2 is the time interval for the recharge of the total capacity With about the capacitors of the second capacitive divider 11;

Δt2.3 - время проводимости обратных диодов ключевых элементов 2.1 либо 2.2;Δt 2.3 - conduction time of reverse diodes of key elements 2.1 or 2.2;

Δt3.4 - временной интервал перезаряда емкости Ср конденсатора 4;Δt 3.4 is the time interval for the recharge of the capacitance C p of the capacitor 4;

Δt4.5 - время протекания тока через транзисторы ключевых элементов 2.1 либо 2.2.Δt 4.5 - current flow time through transistors of key elements 2.1 or 2.2.

Формирование квазирезонансной траектории переключения возможно при выполнении двух условий. Во-первых, энергия индуктивности L дросселя 3 к моменту выключения проводящего ключевого элемента и соответствующая максимальному Iм выходному току КУМ должна быть достаточной для изменения напряжения на емкости Со на величину 2ЕThe formation of a quasi-resonant switching trajectory is possible under two conditions. Firstly, the inductance energy L of the inductor 3 at the time the conductive key element is turned off and corresponding to the maximum I m output current of the CMC must be sufficient to change the voltage across the capacitance C о by 2E

Figure 00000004
Figure 00000004

Во-вторых, время задержки τ3 должно быть достаточным для перезаряда емкости Со и не превышать времени проводимости обратных диодов ключевых элементов 2.1, 2.2Secondly, the delay time τ 3 should be sufficient to recharge the capacitance C o and not exceed the conductivity time of the reverse diodes of the key elements 2.1, 2.2

Δt1.2≤τ3≤Δt1.2+Δt2.3 Δt 1.2 ≤τ 3 ≤Δt 1.2 + Δt 2.3

При выполнении этих условий скорость изменения выходного напряжения КУМ 2 не превышает значенияUnder these conditions, the rate of change of the output voltage KUM 2 does not exceed the value

Figure 00000005
Figure 00000005

Время перезаряда конденсатора 4 в предлагаемом устройстве, соответствующее квазигармоническому изменению напряжения Uс (фиг.4), составляетThe recharge time of the capacitor 4 in the proposed device, corresponding to a quasi-harmonic change in voltage U s (Fig. 4), is

Figure 00000006
где
Figure 00000007
Figure 00000006
Where
Figure 00000007

Максимальная амплитуда iL (фиг.4) выходного тока КУМ 2 в номинальном режиме, соответствующем максимальному выходному току iM выпрямителя, определяется выражениемThe maximum amplitude i L (Fig. 4) of the output current of the KUM 2 in the nominal mode corresponding to the maximum output current i M of the rectifier is determined by the expression

Figure 00000008
где
Figure 00000009
Figure 00000008
Where
Figure 00000009

При выборе параметров схемы из условия получения характеристической частоты ωo=(2-3)ωр для частоты переключении ωп=2π/T (T - период переключений), равной ωп=(0,3-0,5)ωр, обеспечивается изменение амплитуды выходного тока КУМ 2 не более чем на 20-30% в широком диапазоне изменения нагрузки от режима короткого замыкания до режима холостого хода (XX).When choosing the circuit parameters from the conditions for obtaining the characteristic frequency ω o = (2-3) ω p for the switching frequency ω p = 2π / T (T is the switching period) equal to ω p = (0.3-0.5) ωp, provides a change in the amplitude of the output current of KUM 2 by no more than 20-30% in a wide range of load changes from short circuit mode to idle mode (XX).

Для диапазона нагрузок от Rн до XX в предлагаемом устройстве обеспечивается постоянное вторичное напряжение, величина которого определяется первичным напряжением Еи, коэффициентом трансформации трансформатора 6 UнτЕ.For the load range from R n to XX in the proposed device provides a constant secondary voltage, the value of which is determined by the primary voltage E and the transformation ratio of the transformer 6 U n = K τ E.

В свою очередь, использование схем 9, 10 задержки включения в сочетании с включением емкостного делителя 11 позволяет обеспечить плавные траектории изменения напряжений во всех элементах схемы. Тем самым достигается практическое устранение кондуктивных ВЧ помех, проникающих в шины вторичного напряжения через проходные емкости электромагнитных элементов и паразитные объемные емкости несущего конструктива устройства.In turn, the use of on-delay circuits 9, 10 in combination with the inclusion of a capacitive divider 11 makes it possible to ensure smooth trajectories of voltage changes in all elements of the circuit. This achieves the practical elimination of conductive RF interference, penetrating the secondary voltage busbars through the passage capacitance of the electromagnetic elements and stray volumetric capacitance of the supporting structure of the device.

Проведенный анализ работы предлагаемого устройства подтверждает решение задачи повышения стабильности нагрузочных характеристик ТПН при улучшении показателей качества выходных вторичных напряжений посредством введения новой совокупности существенных признаков.The analysis of the proposed device confirms the solution to the problem of increasing the stability of the load characteristics of the transformer substation while improving the quality indicators of the output secondary voltages by introducing a new set of essential features.

Проведенные экспериментальные исследования выявили преимущества заявленного технического решения ТПН по сравнению с аналогами и прототипом. В устройстве-прототипе при изменении нагрузки в диапазоне от номинального значения Rн=Ro до Rн=10 R0 вторичное напряжение изменяется более чем в два раза, а размах ВЧ пульсации достигает 1%. В предлагаемом устройстве при тех же условиях изменение вторичного напряжения не превышает 10% при размахе ВЧ пульсаций менее 0,2%. При этом предлагаемое устройство обеспечивает устойчивую работу в режимах токовой перегрузки и короткого замыкания.The conducted experimental studies revealed the advantages of the claimed technical solution of the WBC in comparison with analogues and prototype. In the prototype device, when the load changes in the range from the nominal value R n = R o to R n = 10 R 0, the secondary voltage changes more than twice, and the amplitude of the RF pulsation reaches 1%. In the proposed device under the same conditions, the change in the secondary voltage does not exceed 10% with a sweep of RF pulsations of less than 0.2%. Moreover, the proposed device provides stable operation in current overload and short circuit modes.

Указанные достоинства схемы ТПН могут быть эффективно использованы в многоканальных системах вторичного электропитания, обеспечивающих формирование вторичных напряжений для различных групп потребителей с различными режимами работы.The indicated advantages of the CTN circuit can be effectively used in multichannel secondary power supply systems, which provide the formation of secondary voltages for various consumer groups with different operating modes.

Достоинством схемы фиг.3 является отсутствие влияния режимов токовой перегрузки, возможных в одной из n групп выходных напряжений, на формирование других групп вторичных напряжений. Такая характеристика многоканального ТПН является необходимым условием его использования в многофункциональных устройствах с большим количеством групп потребителей. Совокупность вновь введенных блоков и связей обеспечивает решение задачи расширения функциональных возможностей предлагаемого ТПН при улучшенных показателях ЭМС и повышении стабильности нагрузочных характеристик.The advantage of the circuit of figure 3 is the lack of influence of current overload modes, possible in one of the n groups of output voltages, on the formation of other groups of secondary voltages. This characteristic of multi-channel WBC is a prerequisite for its use in multifunction devices with a large number of consumer groups. The set of newly introduced blocks and connections provides a solution to the problem of expanding the functionality of the proposed WBC with improved EMC and increasing the stability of load characteristics.

Для апробации технических преимуществ предлагаемого устройства по сравнению с известными ТПН были изготовлены экспериментальные образцы многоканальных ИВЭП (источников вторичного электропитания) по известным схемам [1-3] и по предлагаемой схеме (фиг.3).To test the technical advantages of the proposed device in comparison with the well-known TPN, experimental samples of multichannel IVEP (secondary power supply sources) were made according to well-known schemes [1-3] and according to the proposed scheme (figure 3).

Экспериментальные образцы использовались для электропитания приемной аппаратуры гидроакустических широкополосных систем с полосой частот от сотен Гц до десятков кГц. Были проведены исследования собственных шумов, приведенных к входу приемных усилителей, при питании аппаратуры от источников внешнего электропитания различного типа. Результаты измерений спектрограмм для двух вариантов электропитания представлены на фиг.5а,б. Анализ результатов измерений показывает, что собственные шумы приемной аппаратуры при электропитании от предлагаемого ТПН (фиг.5б) значительно (более чем на 20 дБ) меньше, чем при питании от известных ТПН. В спектре шумов (фиг.5б) практически отсутствуют (менее 0,1 мкВ) составляющие частот переключения (50-60 кГц), а составляющие в рабочей полосе частот приемной аппаратуры не превышают 0,2 мкВ. При электропитании от известного устройства в полосе рабочих частот шумы достигают 10 мкВ, а составляющие частоты переключения достигают 50 мкВ. Соответственно улучшение характеристик ЭМС предлагаемого технического решения ТПН позволяет значительно улучшить характеристики приемной аппаратуры.The experimental samples were used to power the receiving equipment of hydroacoustic broadband systems with a frequency band from hundreds of Hz to tens of kHz. Investigations were made of the intrinsic noise brought to the input of the receiving amplifiers when the equipment was powered from various types of external power sources. The measurement results of spectrograms for two power options are presented in figa, b. Analysis of the measurement results shows that the intrinsic noise of the receiving equipment during power supply from the proposed WBC (Fig.5b) is significantly (more than 20 dB) less than when powered from known WBC. In the noise spectrum (Fig.5b) there are practically no (less than 0.1 μV) components of the switching frequencies (50-60 kHz), and the components in the working frequency band of the receiving equipment do not exceed 0.2 μV. When power is supplied from a known device in the operating frequency band, the noise reaches 10 μV, and the switching frequency components reach 50 μV. Accordingly, the improvement of the EMC characteristics of the proposed technical solution TPN can significantly improve the characteristics of the receiving equipment.

Таким образом, апробация предлагаемого и известных технических решений подтвердила несомненные преимущества заявленного устройства, которое может быть предложено к использованию для электропитания многофункциональной аппаратуры с повышенными требованиями к качеству вторичных напряжений электропитания.Thus, the testing of the proposed and well-known technical solutions has confirmed the undoubted advantages of the claimed device, which can be proposed for use for power supply of multifunctional equipment with increased requirements for the quality of the secondary voltage supply.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИSOURCES OF INFORMATION

1. Р.Северне, Г.Блум. "Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания" - М.: Энергоатомиздат, 1988 г. - 294 с.1. R. Severn, G. Bloom. "Pulse DC-DC converters for secondary power supply systems" - M .: Energoatomizdat, 1988 - 294 p.

2. Авторское свидетельство №1603511, МКИ Н 02 М 7/538. Двухтактный транзисторный конвертор / В.А.Александров и др., опубл. в БИ №40 от 30.10.90 г.2. Copyright certificate No. 1603511, MKI N 02 M 7/538. Push-pull transistor converter / V.A.Alexandrov et al., Publ. in BI No. 40 dated 10.30.90

3. Авторское свидетельство №1628191, МКИ Н 03 К 5/02. Двухтактный конвертор / В.А.Александров и др., опубл. в БИ №6 от 15.02.91 г.3. Copyright certificate No. 1628191, MKI N 03 K 5/02. Push-pull converter / V.A.Alexandrov et al., Publ. in BI No. 6 of 02.15.91

4. Импульсные источники питания: тенденции развития / Дж.Бассет. Электроника, 1988, №1, с.71-77.4. Switching power supplies: development trends / J. Basset. Electronics, 1988, No. 1, pp. 71-77.

Claims (2)

1. Преобразователь постоянного напряжения, содержащий ключевой усилитель, выполненный на двух ключевых элементах, включенных по полумостовой схеме, шины электропитания которого подключены к входам емкостного делителя и к шинам первичного напряжения, задающий генератор, выход ключевого усилителя через последовательно соединенные дроссель и конденсатор подключен к средней точке первого емкостного делителя, причем параллельно конденсатору подключена первичная обмотка трансформатора, вторичная обмотка которого через выпрямитель и емкостной фильтр соединена с шинами вторичного напряжения, отличающийся тем, что введены первая и вторая схемы задержки включения, первый и второй диоды и второй емкостной делитель, включенный между шинами первичного напряжения и подсоединенный средней точкой к выходу ключевого усилителя, первый и второй входы которого через первую и вторую схемы задержки включения соединены с прямым и инверсным выходом задающего генератора, при этом первый и второй диоды включены последовательно обратной проводимостью между шинами первичного напряжения, а средняя точка соединения диодов подключена к точке соединения дросселя и конденсатора.1. A DC voltage converter containing a key amplifier, made on two key elements connected in a half-bridge circuit, the power bus of which is connected to the inputs of the capacitive divider and to the primary voltage buses, the master oscillator, the output of the key amplifier through a series-connected inductor and capacitor is connected to the middle point of the first capacitive divider, and in parallel with the capacitor is connected the primary winding of the transformer, the secondary winding of which is through the rectifier and capacitor the remaining filter is connected to the secondary voltage buses, characterized in that the first and second switching delay circuits, the first and second diodes and the second capacitive divider are connected between the primary voltage buses and connected by a midpoint to the output of the key amplifier, the first and second inputs of which are through the first and the second switching delay circuit are connected to the direct and inverse output of the master oscillator, while the first and second diodes are connected in series with reverse conductivity between the primary voltage buses And average point of connection of diodes connected to the throttle point connection and a capacitor. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что введено n дополнительных дросселей и n дополнительных конденсаторов, n дополнительных емкостных делителей и n дополнительных трансформаторов, каждый из которых содержит одну первичную и k вторичных обмоток, а также N=kn дополнительных выпрямителей и N дополнительных емкостных фильтров, причем n дополнительные дроссели и конденсаторы включены между выходом ключевого усилителя и средними точками соответствующих n дополнительных емкостных делителей, входы которых подключены к шинам первичного напряжения, при этом первичные обмотки n дополнительных трансформаторов включены параллельно соответствующим n дополнительным конденсаторам, а k вторичных обмоток каждого из n дополнительных трансформаторов подключены через соответствующие последовательно включенные дополнительные выпрямители и емкостные фильтры к шинам N вторичных выходных напряжений.2. The converter according to claim 1, characterized in that n additional chokes and n additional capacitors, n additional capacitive dividers and n additional transformers are introduced, each of which contains one primary and k secondary windings, as well as N = kn additional rectifiers and N additional capacitive filters, and n additional chokes and capacitors are connected between the output of the key amplifier and the midpoints of the corresponding n additional capacitive dividers, the inputs of which are connected to the buses of the primary conjugation, the primary winding n additional transformers are connected in parallel respective n additional capacitor, and k secondary windings of each of the n power converters are connected through respective series-connected rectifiers and additional capacitor filters to tires N of the secondary output voltages.
RU2004121368/09A 2004-07-12 2004-07-12 Constant voltage transformer RU2267218C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004121368/09A RU2267218C1 (en) 2004-07-12 2004-07-12 Constant voltage transformer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004121368/09A RU2267218C1 (en) 2004-07-12 2004-07-12 Constant voltage transformer

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2267218C1 true RU2267218C1 (en) 2005-12-27

Family

ID=35870458

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2004121368/09A RU2267218C1 (en) 2004-07-12 2004-07-12 Constant voltage transformer

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2267218C1 (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2455746C2 (en) * 2010-05-12 2012-07-10 Закрытое акционерное общество "Связь инжиниринг" Two-stroke bridge converter
RU2583761C1 (en) * 2014-12-15 2016-05-10 Акционерное Общество "Научно-исследовательский институт "Бриз" Dc voltage transformer
RU171961U1 (en) * 2016-06-01 2017-06-22 Константин Дмитриевич Клочков PULSE HIGH VOLTAGE INVERTER ASSEMBLY FOR ELECTRIC SHOCK DEVICE
RU2699588C1 (en) * 2019-01-30 2019-09-06 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Transformer decoupler multichannel unit
RU2814894C1 (en) * 2023-07-25 2024-03-06 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Key voltage stabilizer with transformer decoupling

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2455746C2 (en) * 2010-05-12 2012-07-10 Закрытое акционерное общество "Связь инжиниринг" Two-stroke bridge converter
RU2583761C1 (en) * 2014-12-15 2016-05-10 Акционерное Общество "Научно-исследовательский институт "Бриз" Dc voltage transformer
RU171961U1 (en) * 2016-06-01 2017-06-22 Константин Дмитриевич Клочков PULSE HIGH VOLTAGE INVERTER ASSEMBLY FOR ELECTRIC SHOCK DEVICE
RU2699588C1 (en) * 2019-01-30 2019-09-06 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Transformer decoupler multichannel unit
RU2814894C1 (en) * 2023-07-25 2024-03-06 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Key voltage stabilizer with transformer decoupling

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Friedli et al. Design and performance of a 200-kHz all-SiC JFET current DC-link back-to-back converter
Figge et al. Paralleling of LLC resonant converters using frequency controlled current balancing
US20180123480A1 (en) Enhanced flyback converter
CA3045199C (en) Voltage converter systems
Cao et al. Design and implementation of high-density isolated bi-directional soft-switching resonant DC-DC converter with partial power processing
Roy et al. GaN based high gain non-isolated DC-DC stage of microinverter with extended-duty-ratio boost
Li et al. A symmetrical resonant converter and PCB transformer structure for common mode noise reduction
Zhang et al. Development of a WBG-based transformerless electric vehicle charger with semiconductor isolation
Mondzik et al. High efficiency switched capacitor voltage doubler with planar core-based resonant choke
Li et al. A PWM strategy for cascaded H-bridges to reduce the loss caused by parasitic capacitances of medium voltage dual active bridge transformers
RU2267218C1 (en) Constant voltage transformer
US20160172987A1 (en) Dc-dc converter for battery system with wide operating voltage range
Roy et al. Gan-based high gain soft switching coupled-inductor boost converter
Han et al. Non-isolated three-port DC/DC converter for+-380V DC microgrids
Shafiei et al. Accurate modeling and design of LLC resonant converter with planar transformers
Tu et al. Diamond-window resonant inductor with significant ac flux
Endo et al. Experimental study of interleaved Y-Inverter performance
Moosavi et al. Soft-switching push-pull converter with parallel resonant link and buck-boost capability
Lee et al. High efficiency voltage balancing dual active bridge converter for the bipolar DC distribution system
Bezawada et al. Impacts of Coupling Plates on Single-Switch Capacitive-Coupled WPT Systems
Friebe et al. Premagnetized Inductors in Single Phase dc-ac and ac-dc Converters
RU2567849C1 (en) Multi-channel constant-voltage transformer
US10205406B2 (en) Passive boost network and DC-DC boost converter applying the same
Ahmad et al. Multi-cell Operation of Class-PN at 6.78 MHz using GaN Devices for Industrial Dielectric Heating
Du et al. Characterizations and Converter Design Using the Latest 6.5 kV Silicon Carbide MOSFETs