RU2320066C1 - Method for dc-to-dc voltage conversion in electrically isolated power supplies - Google Patents
Method for dc-to-dc voltage conversion in electrically isolated power supplies Download PDFInfo
- Publication number
- RU2320066C1 RU2320066C1 RU2006135918/09A RU2006135918A RU2320066C1 RU 2320066 C1 RU2320066 C1 RU 2320066C1 RU 2006135918/09 A RU2006135918/09 A RU 2006135918/09A RU 2006135918 A RU2006135918 A RU 2006135918A RU 2320066 C1 RU2320066 C1 RU 2320066C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- voltage
- capacitor
- energy
- transformer
- polarity
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Dc-Dc Converters (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в импульсных источниках питания с гальванической развязкой для преобразования постоянного напряжения в постоянное, а также для построения источников питания от сети переменного тока с коэффициентом мощности, близким к единице, по однокаскадной схеме, с единичной мощностью 500 Вт и более.The invention relates to electrical engineering and can be used in switching power supplies with galvanic isolation for converting direct voltage to constant voltage, as well as for building AC power sources with a power factor close to unity, according to a single-stage scheme, with a unit power of 500 W and more.
Известен способ преобразования энергии, реализованный в источнике питания [1], заключающийся в том, что с помощью первого ключа с параллельной емкостью накапливают энергию в первичной обмотке трансформатора и затем, при разомкнутом первом ключе, передают ее с помощью вторичной обмотки трансформатора, выпрямителя и выходного фильтра в нагрузку, при этом на интервале передачи энергии в нагрузку ограничивают величину напряжения на первичной обмотке с помощью RCD цепи, при этом энергию рассеяния трансформатора выделяют в балластном резисторе этой цепи.A known method of energy conversion, implemented in the power source [1], which consists in the fact that using the first key with a parallel capacitance accumulate energy in the primary winding of the transformer and then, when the first key is open, transmit it using the secondary winding of the transformer, rectifier and output filter into the load, while on the interval of energy transfer to the load, the voltage on the primary winding is limited using the RCD circuit, while the dissipation energy of the transformer is released into the ballast this circuit.
Недостатком указанного способа является низкий КПД, обусловленный потерями энергии рассеяния и динамическими потерями в ключе.The disadvantage of this method is the low efficiency caused by the loss of dissipation energy and dynamic losses in the key.
Наиболее близким аналогом является способ преобразования энергии, реализованный в источнике питания [2], при котором, с помощью первого ключа с параллельной емкостью, накапливают энергию в первичной обмотке трансформатора и затем, при разомкнутом первом ключе, передают ее с помощью вторичной обмотки трансформатора, выпрямителя и выходного фильтра в нагрузку, при этом энергию рассеяния первичной обмотки трансформатора передают в конденсатор, который подключают к первичной обмотке с помощью второго ключа, когда напряжение на первичной обмотке станет равным напряжению на конденсаторе, а затем через открытый второй ключ передают обратно через трансформатор в нагрузку. Время включенного состояния второго ключа определяют с помощью дифференцирования напряжения дополнительной обмотки трансформатора.The closest analogue is the energy conversion method implemented in the power source [2], in which, using the first key with parallel capacity, the energy is accumulated in the primary winding of the transformer and then, when the first key is open, it is transmitted using the secondary winding of the transformer, a rectifier and an output filter to the load, while the dissipation energy of the primary winding of the transformer is transferred to a capacitor, which is connected to the primary winding using a second switch when the voltage on the primary the coil will become equal to the voltage across the capacitor, and then through the open second key is transferred back through the transformer to the load. The on time of the second switch is determined by differentiating the voltage of the additional winding of the transformer.
Недостатком указанного источника питания является то, что высокий КПД преобразователя можно получить при фиксированных значениях входного и выходного напряжения и тока нагрузки, что не позволяет его использовать в режиме корректора коэффициента мощности, где входное напряжение меняется от нуля до амплитуды сети и в источниках с широким диапазоном выходного напряжения. Не удается увеличить емкость конденсатора, включаемого параллельно ключу, для снижения динамических потерь при его выключении и более полного использования его коммутирующей способности. Неоптимальное определение момента выключения второго ключа приводит к увеличению «времени простоя трансформатора», не связанного ни с процессом накопления энергии, ни с ее передачей в нагрузку. Это ухудшает форму тока обмоток трансформатора, увеличивает потери и приводит к недоиспользованию габаритной мощности трансформатора.The disadvantage of this power source is that a high converter efficiency can be obtained with fixed input and output voltage and load current, which does not allow it to be used in the power factor corrector mode, where the input voltage varies from zero to the network amplitude and in sources with a wide range output voltage. It is not possible to increase the capacitance of a capacitor connected in parallel with the key to reduce dynamic losses when it is turned off and to make full use of its switching ability. The non-optimal determination of the moment of turning off the second key leads to an increase in the “transformer downtime”, which is not associated either with the process of energy storage or with its transfer to the load. This worsens the current shape of the transformer windings, increases losses and leads to underutilization of the overall power of the transformer.
Задача, решаемая в предлагаемом способе, заключается в уменьшении потерь на преобразование энергии, а также улучшении удельных массогабаритных показателей преобразователей аналогичного назначения.The problem solved in the proposed method is to reduce losses on energy conversion, as well as improving the specific weight and size indicators of converters for similar purposes.
Технический результат от применения предлагаемого способа заключается в повышении КПД преобразователя, уменьшении массы и габаритов охладителя для ключей преобразователя, повышении единичной мощности преобразователя за счет более эффективного использования возможностей ключей и трансформатора.The technical result from the application of the proposed method consists in increasing the efficiency of the converter, reducing the mass and dimensions of the cooler for the converter keys, increasing the unit power of the converter due to the more efficient use of the capabilities of the keys and the transformer.
Поставленная задача достигается тем, что предлагается способ преобразования постоянного напряжения в постоянное с гальванической развязкой, заключающийся в том, что от входного источника питания накапливают энергию в первичной обмотке трансформатора, по окончании процесса накопления энергии током намагничивания заряжают первый конденсатор, по окончании заряда, при обратной полярности напряжения на обмотках трансформатора, накопленную энергию передают в нагрузку и часть энергии во второй конденсатор, который подключают к первичной обмотке в момент равенства напряжения на первичной обмотке и напряжения на втором конденсаторе, а затем передают энергию, полученную вторым конденсатором, через трансформатор и выпрямитель в нагрузку.This object is achieved by the fact that a method is proposed for converting direct voltage to constant voltage with galvanic isolation, which consists in the fact that energy is stored in the primary winding of the transformer from the input power source, at the end of the energy storage process, the first capacitor is charged, at the end of the charge, at the reverse the polarity of the voltage across the transformer windings, the stored energy is transferred to the load and part of the energy to the second capacitor, which is connected to the primary winding at the moment of equal voltage on the primary winding and voltage on the second capacitor, and then transfer the energy received by the second capacitor through a transformer and rectifier to the load.
В предлагаемом способе при обратной полярности напряжения на обмотках трансформатора энергией второго конденсатора создают ток намагничивания обратной полярности, сравнивают сигнал, получаемый как разность сигналов, пропорциональных первичному и вторичному токам, с разностью сигналов, пропорциональных входному напряжению и напряжению второго конденсатора, если разность положительна, или с нулем, если разность отрицательна, при их равенстве отключают второй конденсатор и с помощью тока намагничивания обратной полярности разрежают первый конденсатор до изменения знака напряжения первичной обмотки и равенства его входному напряжению, возвращают остаток энергии тока намагничивания обратной полярности во входной источник и повторяют цикл преобразования напряжения.In the proposed method, when the voltage polarity is reversed on the transformer windings with the energy of the second capacitor, a magnetization current of reverse polarity is created, the signal obtained as the difference of the signals proportional to the primary and secondary currents is compared with the difference of the signals proportional to the input voltage and the voltage of the second capacitor, if the difference is positive, or with zero, if the difference is negative, if they are equal, turn off the second capacitor and use the magnetizing current of reverse polarity to cut he first capacitor to a voltage reversal of the primary winding and the equality of its input voltage, energy return residue magnetizing current of opposite polarity to the input voltage source and the conversion cycle is repeated.
Применение предлагаемого способа позволяет с помощью энергии трансформатора разряжать параллельную емкость и удерживать нулевое напряжение на ней до момента открытия первого ключа, что дает возможность существенно увеличить параллельную емкость для снижения динамических потерь при выключении ключа без больших потерь при ее перезаряде. Обеспечивает режим работы преобразователя в широком диапазоне входного и выходного напряжений и тока нагрузки, с минимальным временем «простоя трансформатора», которое не связано с основными процессами накопления энергии в трансформаторе и с передачей этой энергии в нагрузку, и, следовательно, более полно использовать габаритную мощность трансформатора и таким образом поднять КПД, повысить удельные массогабаритные показатели источника питания и увеличить его единичную мощность.The application of the proposed method allows using the energy of the transformer to discharge the parallel capacitance and hold zero voltage on it until the first key is opened, which makes it possible to significantly increase the parallel capacitance to reduce dynamic losses when the key is turned off without large losses when it is recharged. It provides the converter operating mode in a wide range of input and output voltage and load current, with a minimum “transformer downtime”, which is not associated with the main processes of energy storage in the transformer and with the transfer of this energy to the load, and, therefore, to use the overall power more fully transformer and thus increase the efficiency, increase the specific weight and dimensions of the power source and increase its unit power.
Сущность предлагаемого способа поясняется временными диаграммами, приведенными на Фиг.1, и схемой замещения Фиг.2.The essence of the proposed method is illustrated by the timing diagrams shown in figure 1, and the equivalent circuit of figure 2.
На временных диаграммах (Фиг.1) показаны: Ug.кл1 - импульсы управления первым ключом; Iкл1 - ток первого ключа; Iμ - ток намагничивания трансформатора (Iμ=I1-12), I1 и I2 - ток первичной и вторичной обмоток трансформатора; Iкл2 - ток второго ключа; Uкл1 - напряжение на первом ключе. На диаграммах: ΔIμ - приращение тока намагничивания обратной полярности к моменту выключения второго ключа; Uc и Uвх - напряжения на конденсаторе и входное напряжение.The time charts (Figure 1) show: Ug.cl1 - control pulses of the first key; Ikl1 - current of the first key; Iμ - magnetization current of the transformer (Iμ = I1-12), I1 and I2 - current of the primary and secondary windings of the transformer; Ikl2 - current of the second key; Ukl1 - voltage on the first key. In the diagrams: ΔIμ is the increment of the magnetization current of reverse polarity to the moment the second key is turned off; Uc and Uin - voltage across the capacitor and input voltage.
На схеме замещения (Фиг.2) раскрыта схема замещения трансформатора, где:On the equivalent circuit (Figure 2) disclosed an equivalent circuit of the transformer, where:
Lμ - индуктивность намагничивания трансформатора;Lμ is the magnetization inductance of the transformer;
Ls1 и Ls2 - индуктивности рассеяния первичной и вторичной обмоток;Ls1 and Ls2 - scattering inductance of the primary and secondary windings;
1 - источник входного напряжения; 2 - первый ключ; 3 - первый конденсатор (параллельная емкость); 4 - второй конденсатор; 5 - второй ключ; 6 - трансформатор; 7 - выходной выпрямитель; 8 - выходной фильтр; 9 - нагрузка.1 - input voltage source; 2 - the first key; 3 - the first capacitor (parallel capacitance); 4 - second capacitor; 5 - the second key; 6 - transformer; 7 - output rectifier; 8 - output filter; 9 - load.
Возможность реализации предлагаемого способа иллюстрируются временными диаграммами Фиг.1 и схемой замещения Фиг.2.The possibility of implementing the proposed method is illustrated by the timing diagrams of Figure 1 and the equivalent circuit of Figure 2.
На интервале t1-t2 накапливают необходимое количество энергии в первичной обмотке трансформатора 6 (Iкл1, Iμ) и в момент t2 запирают первый ключ. Напряжение на первом ключе нарастает со скоростью, определяемой величиной первого конденсатора 3, что позволяет снизить динамические потери на выключение первого ключа. При достижении напряжения на вторичной обмотке напряжения нагрузки начинает проводить выпрямитель 7 и накопленная энергия поступает в нагрузку. В момент t3, когда напряжение на первом ключе становится равным напряжению второго конденсатора 4, отпирают второй ключ 5, энергию рассеяния первичной обмотки и часть энергии основного потока передают в конденсатор (Iкл2) - интервал t3-t4. На интервале t4-t6 энергию основного потока и энергию, накопленную во втором конденсаторе, передают в нагрузку. В момент t5 энергия основного потока уменьшается до нуля и начинают накопление тока намагничивания другого знака за счет энергии второго конденсатора. В момент t6, когда разность сигналов, пропорциональных входному напряжению и напряжению второго конденсатора, становится равной сигналу, пропорциональному току намагничивания трансформатора Iμ, запирают второй ключ и отрицательным током намагничивания разряжают первый конденсатор 3 до нуля. Избыточный отрицательный ток намагничивания замыкается через обратный диод первого ключа (на схеме не показан) и возвращается во входной источник. Далее процесс преобразования повторяется.On the interval t1-t2, the necessary amount of energy is accumulated in the primary winding of the transformer 6 (Icl1, Iμ) and at the moment t2 the first key is locked. The voltage on the first key rises at a speed determined by the value of the
Момент запирания второго ключа определяют, исходя из требуемой энергии для перезаряда первого конденсатора 3 до нуля (без учета потерь). Этот момент определяют при равенстве сигнала, пропорционального току первичной обмотки, и сигнала, пропорционального разности приведенных значений входного и выходного напряжений, что следует из выражений для энергии конденсатора и индуктивности:The moment of locking the second key is determined based on the required energy for recharging the
; ;
откуда,from where
; ;
где: Еμ - энергия индуктивности намагничивания трансформатора;where: E μ is the magnetization inductance energy of the transformer;
Iμ - ток намагничивания, приведенный к первичной стороне;I μ - magnetization current reduced to the primary side;
Uc - напряжение на конденсаторе;U c is the voltage across the capacitor;
Lμ - индуктивность намагничивания трансформатора;L μ - magnetization inductance of the transformer;
UBX - входное напряжение преобразователя;U BX - input voltage of the converter;
ЕC - энергия емкости включенной параллельно первому ключу;E C is the energy of the capacitance connected in parallel with the first key;
С - емкость конденсатора.C is the capacitance of the capacitor.
Процесс перезаряда первого конденсатора 3 протекает в следующей последовательности. Вначале напряжение на нем равно Uкл1=Ubx+Uc, где Uc - напряжение на втором конденсаторе, Ubx - напряжение входного источника питания. Затем напряжение на конденсаторе падает, и как только оно принимает значение Uc=Ubx, напряжение на первичной обмотке становится равным нулю, а энергия первого конденсатора, соответствующая Uc, передана в трансформатор. Затем эта составляющая энергии трансформатора разрежает параллельную емкость до напряжения Uкл1=Ubx-Uc. Чтобы конденсатор разрядился до нуля, необходимо предварительно накопить в трансформаторе ток равный:The process of recharging the
. .
При реализации способа в источнике питания, совмещенном с корректором коэффициента мощности, где входное напряжение пульсирует с частотой сети, существует режим, когда входное напряжение меньше, чем напряжение второго конденсатора. В этом режиме в трансформаторе накапливается избыточный отрицательный ток во время разряда первого конденсатора, и запирать второй ключ необходимо при достижении током намагничивания нулевого значения.When implementing the method in a power source combined with a power factor corrector, where the input voltage pulsates with the mains frequency, there is a mode when the input voltage is less than the voltage of the second capacitor. In this mode, excess negative current is accumulated in the transformer during the discharge of the first capacitor, and it is necessary to lock the second key when the magnetization current reaches zero.
Для реализации способа необходимо определить величину емкости второго конденсатора. Оптимальное значение определяется из условия, чтобы в режиме максимальной мощности преобразователя полупериод свободных колебаний в последовательном контуре, составленном из конденсатора 4 и суммарной индуктивности рассеяния Ls1+Ls2 (Фиг.2), был равен времени, необходимом, для передачи энергии основного потока в нагрузку (интервал t4-t5).To implement the method, it is necessary to determine the value of the capacitance of the second capacitor. The optimal value is determined from the condition that in the maximum power mode of the converter, the half-cycle of free oscillations in the serial circuit composed of the
Источники информацииInformation sources
1. Интегральные микросхемы: Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. Изд. 2-е. - М.: ДОДЭКА, 2000. - 608 с., стр.191.1. Integrated circuits: Integrated circuits for switching power supplies and their application. Ed. 2nd. - M .: DODEKA, 2000 .-- 608 p., P. 191.
2. 7 Н02М 3/28. JP 3237633 B2. 02.12.98. Импульсный источник питания (73) Murata Mfg Co Ltd.2.7
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006135918/09A RU2320066C1 (en) | 2006-10-10 | 2006-10-10 | Method for dc-to-dc voltage conversion in electrically isolated power supplies |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006135918/09A RU2320066C1 (en) | 2006-10-10 | 2006-10-10 | Method for dc-to-dc voltage conversion in electrically isolated power supplies |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2320066C1 true RU2320066C1 (en) | 2008-03-20 |
Family
ID=39279909
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2006135918/09A RU2320066C1 (en) | 2006-10-10 | 2006-10-10 | Method for dc-to-dc voltage conversion in electrically isolated power supplies |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2320066C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2510871C1 (en) * | 2012-09-27 | 2014-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" (МАИ) | Method for dc voltage pulse conversion and device for its implementation |
-
2006
- 2006-10-10 RU RU2006135918/09A patent/RU2320066C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2510871C1 (en) * | 2012-09-27 | 2014-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" (МАИ) | Method for dc voltage pulse conversion and device for its implementation |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Yu et al. | High efficiency converter with charge pump and coupled inductor for wide input photovoltaic AC module applications | |
Sathyan et al. | Soft-switching DC–DC converter for distributed energy sources with high step-up voltage capability | |
Hsieh et al. | Novel high step-up DC–DC converter with coupled-inductor and switched-capacitor techniques for a sustainable energy system | |
US5940280A (en) | Converter circuit of battery charger for electric vehicle | |
TW201145778A (en) | Active-clamp circuit for quasi-resonant flyback power converter | |
CN103595260A (en) | Push-pull - flexible switching converter with serial-connected resonance unit | |
EP2633610A2 (en) | Method for controlling a series resonant dc/dc converter | |
CN111656661B (en) | Constant frequency DC/DC power converter | |
CN108964469A (en) | The double LLC resonant converters of a kind of and cascaded structure full-bridge | |
JP2014502834A (en) | Battery cell balancing converter | |
Schmitz et al. | High step-up high efficiency dc-dc converter for module-integrated photovoltaic applications | |
CN201623633U (en) | Full-bridge phase-shift type converter provided with zero-voltage switching auxiliary circuit | |
WO2012055869A2 (en) | Series resonant dc/dc converter | |
Qian et al. | Dual interleaved active-clamp forward with automatic charge balance regulation for high input voltage application | |
Ohta et al. | Bidirectional isolated ripple cancel triple active bridge DC-DC converter | |
RU2455746C2 (en) | Two-stroke bridge converter | |
CN109842311A (en) | A kind of grid-connected micro- inverter of three port inverse-excitation types and modulator approach with power decoupling circuit | |
RU2320066C1 (en) | Method for dc-to-dc voltage conversion in electrically isolated power supplies | |
Chub et al. | Novel family of quasi-Z-source DC/DC converters derived from current-fed push-pull converters | |
RU2396685C1 (en) | Voltage converter with inductively coupled recuperation circuits | |
EP2680418B1 (en) | A common-core power factor correction resonant converter | |
Ekkaravarodome et al. | DC-DC high conversion ratio push-pull resonant converter based on voltage double rectifier | |
CN101980434B (en) | Single-stage bridge type power factor calibration convertor circuit | |
RU67349U1 (en) | PULSE POWER SUPPLY | |
CN100388602C (en) | DC-DC power convertor with low output ripple and low stresses of parts |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20081011 |