RU2762043C1 - Multi-tact voltage converter - Google Patents

Multi-tact voltage converter Download PDF

Info

Publication number
RU2762043C1
RU2762043C1 RU2021108858A RU2021108858A RU2762043C1 RU 2762043 C1 RU2762043 C1 RU 2762043C1 RU 2021108858 A RU2021108858 A RU 2021108858A RU 2021108858 A RU2021108858 A RU 2021108858A RU 2762043 C1 RU2762043 C1 RU 2762043C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cells
windings
output
chokes
voltage
Prior art date
Application number
RU2021108858A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Юрий Николаевич Шуваев
Original Assignee
Юрий Николаевич Шуваев
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 Юрий Николаевич Шуваев filed Critical Юрий Николаевич Шуваев
Priority to RU2021108858A priority Critical patent/RU2762043C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2762043C1 publication Critical patent/RU2762043C1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33507—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of the output voltage or current, e.g. flyback converters

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

FIELD: electrical engineering.
SUBSTANCE: invention relates to the field of electrical engineering, in particular, converter technology, and can be used in the design of secondary power sources for various purposes. The expected result is achieved due to the presence in the voltage converter of N cells connected in parallel at the input and output and connected to the output capacitor and the total load connected in parallel via p multi-winding throttles, and a control device that provides pulse-width stabilization of the output voltage. The number of cells is a multiple of two or three, the cells are divided into n groups of m cells in each group, at m =2, one group includes two cells whose currents are shifted in phase relative to each other by 180°, and at m=3, three cells whose currents are shifted by 120°. The number of throttles varies from 1 to n, each of them has k windings. The number of cells, chokes and windings are related by the ratio N = pk. The output of each cell is connected to the beginning of the corresponding throttle winding, and the ends of all the throttle windings are connected to the load.
EFFECT: reducing the volume and mass of the throttles of a multi-cycle voltage converter containing several cells connected to a common load, due to the fact that the cells are divided into a number of groups and connected to throttles with several separate windings.
3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности, преобразовательной техники, и может быть использовано при проектировании источников электропитания различного назначения.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular, conversion technology, and can be used in the design of power supplies for various purposes.

Известны и широко применяются различные однотактные и двухтактные импульсные преобразователи напряжения, в том числе импульсные стабилизаторы напряжения с последовательным ключевым элементом, содержащие регулирующие транзисторы, дроссели, диоды, конденсаторы и другие элементы, обеспечивающие преобразование и стабилизацию напряжения постоянного тока. Существенным недостатком этих преобразователей являются большие объем и масса их элементов при низком уровне пульсаций выходного напряжения [1; 3, с. 113 - 182].Various single-ended and push-pull pulse voltage converters are known and widely used, including pulse voltage stabilizers with a series key element, containing regulating transistors, chokes, diodes, capacitors and other elements that ensure the conversion and stabilization of DC voltage. A significant drawback of these converters is the large volume and mass of their elements with a low level of output voltage ripple [1; 3, p. 113 - 182].

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению, которое может быть принято за прототип, является многотактный (многофазный) преобразователь напряжения, содержащий несколько импульсных ячеек, соединенных параллельно по входу и по выходу. В состав каждой ячейки входят ключевой регулирующий транзистор, дроссель, обратный диод и выходной конденсатор. Каждая ячейка содержит устройство управления, состоящее из индивидуальных элементов - широтно - импульсного модулятора и генератора пилообразного напряжения и общих элементов - распределителя импульсов, задающего генератора и узла обратной связи, включающего в себя усилитель постоянного тока, резисторный делитель напряжения и источник опорного напряжения [2; 3, с. 229 - 239].The closest to the proposed technical solution, which can be taken as a prototype, is a multi-cycle (multiphase) voltage converter containing several pulse cells connected in parallel at the input and output. Each cell includes a key regulating transistor, a choke, a flyback diode and an output capacitor. Each cell contains a control device consisting of individual elements - a pulse-width modulator and a sawtooth voltage generator and common elements - a pulse distributor, a master oscillator and a feedback unit, which includes a DC amplifier, a resistor voltage divider and a reference voltage source [2; 3, p. 229 - 239].

Достоинствами многотактного преобразователя напряжения являются низкий уровень и высокая частота пульсаций выходного напряжения и тока потребления, а также низкая частота переключения силовых транзисторов. Недостаток этих преобразователей - большое количество и большой объем и масса входящих в них дросселей, что обусловлено большой амплитудой переменной составляющей их тока.The advantages of a multi-cycle voltage converter are a low level and high ripple frequency of the output voltage and current consumption, as well as a low switching frequency of power transistors. The disadvantage of these converters is the large number and large volume and mass of inductors included in them, which is due to the large amplitude of the variable component of their current.

В предлагаемом многотактном преобразователе напряжения обеспечивается снижение объема и массы комплекта дросселей за счет применения дросселей с несколькими обмотками вместо одной, повышения удельной мощности дросселей на единицу их объема и массы путем уменьшения амплитуды переменной составляющей тока в обмотке и, как следствие уменьшение количества дросселей.In the proposed multi-cycle voltage converter, a decrease in the volume and weight of a set of chokes is provided by using chokes with several windings instead of one, increasing the specific power of chokes per unit of their volume and mass by reducing the amplitude of the alternating current component in the winding and, as a consequence, reducing the number of chokes.

Для достижения технического результата в предлагаемом преобразователе применяется в несколько раз меньшее, чем в известном, количество дросселей с несколькими обмотками, ячейки разделены на группы и их выходы подключены к обмоткам соответствующего дросселя.To achieve the technical result, the proposed converter uses several times less than the known one, the number of chokes with several windings, the cells are divided into groups and their outputs are connected to the windings of the corresponding choke.

В материалах заявки приняты следующие обозначения:The following designations are accepted in the application materials:

N - общее количество ячеек преобразователя;N is the total number of cells of the converter;

m - количество ячеек в каждой группе;m is the number of cells in each group;

n - число групп;n is the number of groups;

р - количество дросселей преобразователя;p is the number of converter chokes;

k - число обмоток дросселя.k is the number of choke windings.

В заявке рассматриваются многотактные преобразователи, имеющие следующие параметры: N=2-12; m=2 и 3; n=1-6; p=1-6; k=2-12.The application considers multi-cycle converters having the following parameters: N = 2-12; m = 2 and 3; n = 1-6; p = 1-6; k = 2-12.

На фиг.1 представлена структурная схема многотактного преобразователя напряжения, имеющего следующие параметры: N=4; m=2; n=2; р=2; k=2.Figure 1 shows a block diagram of a multi-cycle voltage converter having the following parameters: N = 4; m = 2; n = 2; p = 2; k = 2.

Преобразователь содержит две ячейки 1, два дросселя 2, каждый из которых имеет две обмотки 3, включенные согласно. Начало обмоток 3 подключено к выходу ячеек 1, а концы обмоток подключены к параллельно соединенным выходному конденсатору 4 и общей нагрузке 5.The converter contains two cells 1, two chokes 2, each of which has two windings 3, included according to. The beginning of the windings 3 is connected to the output of the cells 1, and the ends of the windings are connected to the parallel-connected output capacitor 4 and the total load 5.

Количество ячеек кратно двум, они разделены на две группы по две ячейки в каждой группе: n=N/m=4/2=2. В одну группу входят ячейки, токи которых сдвинуты по фазе относительно друг друга на 180°. Выход ячеек первой группы подключен к началу обмоток первого дросселя, а выход ячеек второй группы - к началу обмоток второго дросселя. Концы обмоток обоих дросселей подключены к нагрузке.The number of cells is a multiple of two, they are divided into two groups of two cells in each group: n = N / m = 4/2 = 2. One group includes cells whose currents are 180 ° out of phase relative to each other. The output of the cells of the first group is connected to the beginning of the windings of the first choke, and the output of the cells of the second group is connected to the beginning of the windings of the second choke. The ends of the windings of both chokes are connected to the load.

Устройство управления преобразователя содержит индивидуальные для каждой ячейки элементы - широтно - импульсный модулятор 6, генератор пилообразного напряжения 7, а также общие элементы - распределитель импульсов 8, задающий генератор 9 и усилитель обратной связи 10, выход которого подключен к входам широтно - импульсных модуляторов 6, а входы - к резисторному делителю выходного напряжения 11 и источнику опорного напряжения 12.The converter control device contains individual elements for each cell - a pulse-width modulator 6, a sawtooth voltage generator 7, as well as common elements - a pulse distributor 8, a master oscillator 9 and a feedback amplifier 10, the output of which is connected to the inputs of the pulse-width modulators 6, and the inputs to the resistor divider of the output voltage 11 and the reference voltage source 12.

Ячейки 1, дроссели 2 и их обмотки 3 имеют нумерацию в виде дроби, числитель которой показывает тип элемента, а знаменатель - его порядковый номер. Ячейки имеют круговую нумерацию. Номера ячеек сдвинуты по фазе относительно друг друга на угол 360°/N, т.е. при N=4-0° соответствует ячейке с номером 1, 90° - 2, 180° - 3, 270° - 4; при N=6-0° - соответствует ячейке с номером 1, 60° - 2, 120° - 3, 180° - 4, 270° - 5, 330° - 6.Cells 1, chokes 2 and their windings 3 are numbered as a fraction, the numerator of which indicates the type of element, and the denominator is its ordinal number. The cells are numbered circularly. The cell numbers are phase shifted relative to each other by an angle of 360 ° / N, i.e. at N = 4 - 0 ° corresponds to cell number 1, 90 ° - 2, 180 ° - 3, 270 ° - 4; at N = 6 - 0 ° - corresponds to cell number 1, 60 ° - 2, 120 ° - 3, 180 ° - 4, 270 ° - 5, 330 ° - 6.

В преобразователе, схема которого приведена на фиг.1, ячейки образуют две группы, в первую группу входят ячейки 1/1 и 1/3, а во вторую - ячейки 1/2 и 1/4. Токи ячеек в каждой группе находятся попарно в противофазе по своим номерам, т.е. сдвинуты по фазе относительно друг друга на 180°.In the converter, the diagram of which is shown in figure 1, the cells form two groups, the first group includes cells 1/1 and 1/3, and the second - cells 1/2 and 1/4. The cell currents in each group are in pairs in antiphase according to their numbers, i.e. are 180 ° out of phase with respect to each other.

Выражение токи сдвинуты по фазе означает, что начала импульсов тока ячеек и дросселей, имеющих разные номера, сдвинуты по фазе относительно начало периода коммутации ключевых элементов на соответствующий угол.The expression currents are shifted in phase means that the beginning of the current pulses of cells and chokes having different numbers are shifted in phase relative to the beginning of the switching period of the key elements by the corresponding angle.

Выход ячеек первой группы подключен к началу обмоток 3/1 и 3/2, дросселя 2/1, а выход ячеек второй группы - к началу обмоток 3/1 и 3/2 дросселя 2/2. Концы обмоток 3/1 и 3/2 дросселей 2/1 и 2/2 подключены к выходному конденсатору 4 и нагрузке 5, соединенным параллельно.The output of the cells of the first group is connected to the beginning of windings 3/1 and 3/2, of the choke 2/1, and the output of the cells of the second group is connected to the beginning of windings 3/1 and 3/2 of the choke 2/2. The ends of windings 3/1 and 3/2 of chokes 2/1 and 2/2 are connected to the output capacitor 4 and load 5, connected in parallel.

На фиг.2-4 приведены структурные схемы силовой части многотактных преобразователей напряжения, имеющих соответственно следующие параметры: N=6, m=3, n=2, р=2, k=3; N=4, m=2, n=2, р=1, k=4; N=6, m=3, n=2, р=1, k=6.Figures 2-4 show the structural diagrams of the power section of multi-cycle voltage converters having the following parameters, respectively: N = 6, m = 3, n = 2, p = 2, k = 3; N = 4, m = 2, n = 2, p = 1, k = 4; N = 6, m = 3, n = 2, p = 1, k = 6.

Ячейки, входящие в предлагаемый многотактный преобразователь напряжения, могут быть выполнены по схеме импульсного стабилизатора напряжения с последовательным ключевым элементом, а также по схемам однотактного или двухтактного преобразователя напряжения [3, с. 113 - 182].The cells included in the proposed multi-stroke voltage converter can be made according to the scheme of a pulse voltage stabilizer with a sequential key element, as well as according to the schemes of a single-cycle or push-pull voltage converter [3, p. 113 - 182].

Параметры многотактных преобразователей напряжения, выполненных по описанному принципу, а также варианты подключения обмоток дросселей к выходу ячеек, приведены в таблице 1.The parameters of multi-cycle voltage converters made according to the described principle, as well as the options for connecting the choke windings to the cell output, are shown in Table 1.

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

Как видно из таблицы 1, предлагаемый преобразователь имеет большое количество модификаций и вариантов. Вследствие этого имеется возможность выбора оптимальной схемы, обеспечивающей минимальные объем и массу его элементов и улучшенные выходные характеристики при заданных исходных данных. При выборе схемы преобразователя и количества дросселей необходимо учитывать технологичность изготовления многообмоточных дросселей.As can be seen from table 1, the proposed converter has a large number of modifications and options. As a result, it is possible to select the optimal circuit that provides the minimum volume and mass of its elements and improved output characteristics for the given initial data. When choosing a converter circuit and the number of chokes, it is necessary to take into account the manufacturability of manufacturing multi-winding chokes.

Многотактный преобразователь напряжения, являющийся стабилизированным источником питания, работает следующим образом.A multi-cycle voltage converter, which is a stabilized power supply, works as follows.

Напряжение питающей сети подается на вход ячеек 1 и преобразовывается в импульсы которые с выхода каждой ячейки через соответствующую обмотку 3 дросселя 2 поступают на параллельно соединенные выходной конденсатор 4 и нагрузку 5. Устройство управления осуществляет широтно - импульсную стабилизацию напряжения на нагрузке. При изменении по какой - либо причине этого напряжения устройство управления изменяет длительность управляющих импульсов, поступающих с выхода широтно - импульсных модуляторов 6 на вход ключевых элементов ячеек 1 и длительность силовых импульсов тока, подаваемых с выхода ячеек 1 на обмотки 3 дросселей 2. Вследствие этого напряжение на нагрузке возвращается практически к первоначальной величине.The mains voltage is fed to the input of cells 1 and converted into pulses, which from the output of each cell through the corresponding winding 3 of the choke 2 are fed to the parallel-connected output capacitor 4 and load 5. The control device carries out pulse-width stabilization of the load voltage. When this voltage changes for any reason, the control device changes the duration of the control pulses coming from the output of the pulse-width modulators 6 to the input of the key elements of the cells 1 and the duration of the power current pulses supplied from the output of the cells 1 to the windings 3 of the chokes 2. As a result, the voltage under load, it returns to almost its original value.

Импульсы тока всех дросселей суммируются в выходном конденсаторе и сопротивлении нагрузки.The current pulses of all chokes are summed in the output capacitor and the load resistance.

Длительность указанных импульсов tИ соответствует времени открытого состояния ключевого элемента ячейки и определяется длительностью периода коммутации ключевого элемента и значением коэффициента заполнения импульсного напряжения γ=tИ/T.The duration of these pulses t And corresponds to the time of the open state of the key element of the cell and is determined by the duration of the switching period of the key element and the value of the duty cycle of the pulse voltage γ = t And / T.

Коэффициент заполнения γ определяет зависимость среднего значения выходного напряжения преобразователя Uн от напряжения питающей сети Uп : Uн=γUп, т.е. регулировочная характеристика многотактного преобразователя аналогична регулировочной характеристике однотактного преобразователя и среднее значение напряжения на нагрузке многотактного преобразователя равно среднему значению напряжения на выходе каждой ячейки.The fill factor γ determines the dependence of the average value of the output voltage of the converter U n on the voltage of the supply network U p : U n = γU p , i.e. the control characteristic of a multi-cycle converter is similar to the control characteristic of a single-cycle converter and the average value of the voltage across the load of the multi-cycle converter is equal to the average value of the voltage at the output of each cell.

Распределитель импульсов 8 обеспечивает время и последовательность подачи управляющих импульсов на ячейки преобразователя. Начало импульсов, подаваемых на следующую ячейку, сдвинуто по времени (по фазе) относительно предыдущей на время Тп=T/N или 360°/N.The distributor of pulses 8 provides the time and sequence for supplying control pulses to the converter cells. The beginning of the pulses applied to the next cell is time-shifted (in phase) relative to the previous one by the time T p = T / N or 360 ° / N.

Время Тп является периодом пульсаций выходного напряжения преобразователя, которые формируются на нагрузке при суммировании переменной составляющей токов обмоток всех дросселей. Следовательно, частота указанных пульсаций в N раз выше частоты коммутации ключевых элементов ячеек.Time T p is the period of the pulsations of the output voltage of the converter, which are formed on the load when the variable component of the currents of the windings of all chokes is summed up. Consequently, the frequency of these pulsations is N times higher than the switching frequency of the key elements of the cells.

Ток нагрузки преобразователя равен сумме токов всех ячеек, т.е. среднее значение тока одной ячейки в N раз меньше тока нагрузки.The load current of the converter is equal to the sum of the currents of all cells, i.e. the average value of the current of one cell is N times less than the load current.

Кратко повторим особенности работы многотактных преобразователей напряжения. В многотактных преобразователях каждая ячейка через соответствующую обмотку дросселя подключена к параллельно соединенным выходному конденсатору и нагрузке. Среднее значение и амплитуда импульсов тока, протекающего через каждую обмотку дросселя, определяется количеством ячеек, количеством дросселей и числом их обмоток, а также сопротивлением нагрузки и значением коэффициента заполнения импульсного напряжения. Применение нескольких ячеек, включенных параллельно, обеспечивает возможность уменьшить частоту коммутации и снизить коэффициент нагрузки ключевых элементов, а также уменьшить амплитуду и увеличить частоту пульсаций выходного напряжения преобразователя.Let us briefly repeat the features of operation of multi-cycle voltage converters. In multi-cycle converters, each cell is connected through a corresponding inductor winding to a parallel-connected output capacitor and load. The average value and amplitude of the current pulses flowing through each inductor winding is determined by the number of cells, the number of inductors and the number of their windings, as well as the load resistance and the value of the duty cycle of the impulse voltage. The use of several cells connected in parallel makes it possible to reduce the switching frequency and reduce the load factor of key elements, as well as reduce the amplitude and increase the ripple frequency of the converter output voltage.

При работе преобразователя коэффициент у изменяется в определенных пределах в зависимости от изменения напряжения питающей сети, тока нагрузки и других дестабилизирующих фактров.When the converter is operating, the coefficient y varies within certain limits depending on changes in the supply voltage, load current and other destabilizing factors.

За время периода коммутации ключевого элемента, входящего в каждую ячейку, Т происходит нарастание тока дросселя в течение времени tи=γT и его спад в течение времени tп=(1-γ)T.During the switching period of the key element included in each cell, T, the inductor current increases during the time t and = γT and its decline during the time t p = (1-γ) T.

Приведем обоснование того, что предлагаемое устройство обеспечивает положительный эффект.Let us give a rationale for the fact that the proposed device provides a positive effect.

Выходное напряжение ячейки в виде импульсов прямоугольной формы длительностью tи подается на обмотку дросселя. Параметры этих импульсов определяют среднее значение тока дросселя и амплитуду его переменной составляющей. Ток нагрузки преобразователя складывается из среднего значения тока всех ячеек, а его выходное напряжение равно среднему значению напряжения ячейки.The output voltage of the cell is in the form of rectangular pulses of duration t and is fed to the inductor winding. The parameters of these pulses determine the average value of the inductor current and the amplitude of its variable component. The load current of the converter is added from the average current of all cells, and its output voltage is equal to the average value of the cell voltage.

Пульсации выходного напряжения формируются в выходном конденсаторе и нагрузке в виде суммарной переменной составляющей тока всех обмоток дросселей.Output voltage ripples are formed in the output capacitor and load in the form of the total alternating current component of all choke windings.

В известных многотактных преобразователях с индивидуальным однообмоточным дросселем ток, протекающий по его обмотке, имеет большую амплитуду. Вследствие этого, дроссели, входящие в известные преобразователи, имеют большие удельные объем и массу на единицу мощности и, следовательно, большие объем и массу. Отметим, что габаритные размеры и массу дросселей с постоянной составляющей тока в его обмотке необходимо рассчитывать не по электромагнитной энергии, а по электромагнитной мощности, учитывающей как постоянную, так и переменную составляющие тока [3, с. 30-38;5].In the known multi-cycle converters with an individual single-winding choke, the current flowing through its winding has a large amplitude. As a consequence, the chokes included in the known converters have a large specific volume and mass per unit of power and, therefore, a large volume and mass. Note that the overall dimensions and weight of chokes with a constant current component in its winding must be calculated not by electromagnetic energy, but by electromagnetic power, taking into account both the constant and alternating current components [3, p. 30-38; 5].

Вследствие этого, снижение переменной составляющей магнитной индукции и напряженности магнитного поля в магнитопроводе дросселей предлагаемого преобразователя за счет уменьшения амплитуды импульсов переменной составляющей тока в их обмотках, обеспечивает снижение суммарной электромагнитной мощности. Уменьшение указанной амплитуды тока осуществляется путем взаимной компенсации переменной составляющей тока двух или трех обмоток дросселя следующим образом.As a result, a decrease in the variable component of the magnetic induction and the magnetic field strength in the magnetic core of the chokes of the proposed converter by reducing the amplitude of the pulses of the variable component of the current in their windings, provides a decrease in the total electromagnetic power. Reduction of the specified current amplitude is carried out by mutual compensation of the alternating current component of two or three choke windings as follows.

Когда по двум обмоткам дросселя протекают одинаковые по амплитуде синусоидальные токи, сдвинутые по фазе относительно друг друга на 180° (находятся в противофазе), в его магнитопроводе наводятся соответствующие магнитные потоки, которые также находятся в противофазе и взаимно уничтожаются. Вследствие этого, суммарный ток в общей нагрузке, подключенной к этим обмоткам, равен нулю.When sinusoidal currents of the same amplitude flow through two windings of the choke, they are 180 ° out of phase relative to each other (in antiphase), the corresponding magnetic fluxes are induced in its magnetic circuit, which are also in antiphase and mutually annihilated. As a consequence, the total current in the total load connected to these windings is zero.

При протекании двух одинаковых токов, имеющих треугольную форму и сдвинутых по фазе на 180°, по двум обмоткам дросселя в его магнитопроводе наводятся соответствующие этим токам магнитные потоки, направленные навстречу друг другу. В связи с тем, что магнитные потоки имеют треугольную (а не синусоидальную) форму, они полностью не уничтожаются, а частично взаимно компенсируются. Вследствие этой компенсации амплитуда магнитного потока уменьшается, что обеспечивает уменьшение амплитуды импульсов переменной составляющей суммарного тока обмоток дросселя и, следовательно, снижение его удельных объема и массы на единицу электромагнитной мощности.When two identical currents, which have a triangular shape and are 180 ° out of phase, flow through the two windings of the inductor in its magnetic circuit, magnetic fluxes corresponding to these currents are induced, directed towards each other. Due to the fact that the magnetic fluxes have a triangular (and not sinusoidal) shape, they are not completely destroyed, but partially mutually compensated. As a result of this compensation, the amplitude of the magnetic flux decreases, which ensures a decrease in the amplitude of the pulses of the variable component of the total current of the choke windings and, consequently, a decrease in its specific volume and mass per unit of electromagnetic power.

Аналогично, когда три одинаковых по амплитуде синусоидальных тока, сдвинутых по фазе относительно друг другу на 120°, протекают по трем обмоткам дросселя, они взаимно уничтожаются в общей нагрузке.Similarly, when three sinusoidal currents of the same amplitude, shifted in phase relative to each other by 120 °, flow through the three windings of the inductor, they cancel each other out in the total load.

Когда три тока треугольной формы, сдвинутые по фазе на 120°, протекают по трем обмоткам дросселя, они также частично взаимно компенсируются. При наличии указанной компенсации удельные показатели дросселей с тремя обмотками значительно лучше, чем у дросселей с одной обмоткой, рассчитанных на ток с большой амплитудой импульсов его переменной составляющей.When three triangular currents, 120 ° out of phase, flow through the three choke windings, they also partially cancel out. In the presence of the specified compensation, the specific indicators of chokes with three windings are much better than those of chokes with one winding, designed for a current with a large amplitude of pulses of its variable component.

Для повышения степени взаимной компенсации переменной составляющей тока обмотки дросселя целесообразно располагать таким образом, чтобы между ними обеспечивалась наиболее полная магнитная связь. В некоторых случаях может быть использована бифилярная намотка обмоток дросселя двумя или тремя проводами, сложенными вместе.To increase the degree of mutual compensation of the variable component of the current, the inductor windings should be positioned in such a way that the most complete magnetic coupling is provided between them. In some cases, bifilar winding of the choke windings with two or three wires folded together can be used.

При изменении коэффициента у происходит изменение амплитуды переменной составляющей в обмотках каждого дросселя и положение максимума кривой тока в течение периода Т. Вследствие этого, степень компенсации также изменяется. Это приводит к тому, что результирующий суммарный ток выходного конденсатора изменяется при изменении коэффициента γ в процессе работы преобразователя. В критических точках, при γ=1/N, 2/N,…1, происходит полная компенсация переменной составляющей двух или трех ячеек и сумарный ток выходного конденсатора равен нулю.When the coefficient y changes, the amplitude of the alternating component in the windings of each inductor changes and the position of the maximum of the current curve during the period T. As a result, the degree of compensation also changes. This leads to the fact that the resulting total current of the output capacitor changes when the coefficient γ changes during the operation of the converter. At critical points, at γ = 1 / N, 2 / N, ... 1, there is a complete compensation of the variable component of two or three cells and the total current of the output capacitor is zero.

Вследствие этого, рабочий диапазон изменения коэффициента заполнения у следует, по возможности, выбирать в районе одной из критических точек.As a consequence, the operating range of variation of the duty cycle should, if possible, be selected in the region of one of the critical points.

Анализ диаграмм тока дросселя в различных режимах работы показывает, что в преобразователе, собранном по любой предлагаемой схеме, при любом коэффициенте γ, изменяющемся в пределах от 0 до 1, суммарная амплитуда переменной составляющей тока многообмоточного дросселя всегда меньше, чем амплитуда переменной составляющей тока в однообмоточном дросселе известного преобразователя.Analysis of the current diagrams of the inductor in various modes of operation shows that in a converter assembled according to any proposed scheme, with any coefficient γ varying from 0 to 1, the total amplitude of the alternating current component of a multi-winding inductor is always less than the amplitude of the alternating current component in a single-winding choke of a known converter.

Таким образом, применение одного дросселя с несколькими обмотками вместо нескольких дросселей с одной обмоткой обеспечивает снижение электромагнитной мощности комплекта дросселей за счет уменьшения амплитуды суммарных импульсов тока в их обмотках.Thus, the use of one choke with several windings instead of several chokes with one winding provides a decrease in the electromagnetic power of a set of chokes by reducing the amplitude of the total current pulses in their windings.

Заметное снижение суммарного объема и массы комплекта дросселей, входящих в преобразователь, обеспечивается за счет снижения их количества. Это объясняется тем, что удельные объем и масса электромагнитных элементов на единицу габаритной (расчетной) мощности снижаются при ее увеличении [4; 6, с. 150 - 155]. Ухудшение удельных характеристик намоточных изделий при снижении их мощности обусловлено необходимостью увеличения их размеров для обеспечения заданного перегрева их обмоток, а также увеличением влияния на их габаритные размеры и массу технологических элементов конструкции - каркаса, катушки, крепежа и т.д.A noticeable decrease in the total volume and weight of the set of chokes included in the converter is provided by reducing their number. This is explained by the fact that the specific volume and mass of electromagnetic elements per unit of overall (design) power decrease with its increase [4; 6, p. 150 - 155]. The deterioration of the specific characteristics of the winding products with a decrease in their power is due to the need to increase their dimensions to ensure a given overheating of their windings, as well as an increase in the effect on their overall dimensions and weight of technological structural elements - frame, coil, fasteners, etc.

ЛитератураLiterature

1. Виленкин А.Г. Импульсные транзисторные стабилизаторы напряжения. М.: Энергия, 1970, с. 3 - 35.1. Vilenkin A.G. Pulse transistor voltage stabilizers. M .: Energy, 1970, p. 3 - 35.

2. Шуваев Ю.Н., Виленкин А.Г. Многофазные импульсные стабилизаторы. - В кн. Электронная техника в автоматике / Под ред. Ю.И. Конева. - М.: Советское радио, 1977, вып. 9, с. 70-83.2. Shuvaev Yu.N., Vilenkin A.G. Multiphase switching stabilizers. - In the book. Electronic Engineering in Automation / Ed. Yu.I. Konev. - M .: Soviet radio, 1977, no. 9, p. 70-83.

3. Моин В.С. Стабилизированные транзисторные преобразователи. М.: Энергоатомиздат, 1986, - 386 с.3. Moin V.S. Stabilized transistor converters. M .: Energoatomizdat, 1986, - 386 p.

4. Шуваев Ю.Н. Выбор оптимальной схемы многофазного низковольтного выпрямителя по габаритно - массовым и энергетическим показателям. - Вопросы радиоэлектроники. - Сер. общетехническая, 1978, вып. 3, с. 77 - 89.4. Shuvaev Yu.N. Selection of the optimal circuit for a multiphase low-voltage rectifier in terms of overall, mass and energy indicators. - Questions of radio electronics. - Ser. general technical, 1978, no. 3, p. 77 - 89.

5. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. М.: Высшая школа, 1973, с. 268-271.5. Bessonov L.A. Theoretical foundations of electrical engineering. M .: Higher school, 1973, p. 268-271.

6. Шуваев Ю.Н. Многофазные низковольтные выпрямители с улучшенными объемно - массовыми и энергетическими показателями за счет применения нескольких независимых дросселей фильтра. - М.: МЭИ, 1982, 217 с. Кандидатская диссертация.6. Shuvaev Yu.N. Multiphase low-voltage rectifiers with improved volumetric - mass and energy indicators due to the use of several independent filter chokes. - M .: MEI, 1982, 217 p. PhD thesis.

Claims (3)

1. Многотактный преобразователь напряжения, содержащий N ячеек, соединенных параллельно по входу и по выходу, подключенных через р дросселей к параллельно соединенным выходному конденсатору и общей нагрузке, устройство управления каждой ячейки содержит широтно-импульсный модулятор и генератор пилообразного напряжения, вход каждого генератора подключен к выходам общего распределителя импульсов на N каналов, связанного с выходом задающего генератора, тактовый вход каждого широтно-импульсного модулятора подключен к выходу генератора пилообразного напряжения, а управляющий вход модуляторов подключен к выходу усилителя обратной связи, входы которого подключены к источнику опорного напряжения и резисторному делителю напряжения, подключенному к нагрузке, отличающийся тем, что количество ячеек кратно m, равному двум или трем, ячейки разделены на n групп по m ячеек в каждой группе, при m=2 в одну группу входят ячейки, токи которых находятся попарно в противофазе (сдвинуты по фазе относительно друг друга на 180°), при m=3 в одну группу входят ячейки, токи которых сдвинуты по фазе относительно друг друга на 120°, количество дросселей варьируется в пределах от одного до n, каждый из дросселей имеет k обмоток, включенных согласно, количество ячеек, количество дросселей и число их обмоток связаны соотношением N=pk, выход каждой ячейки одной группы подключен к началу обмоток одного дросселя, номера ячеек, входящих в одну группу, отличаются друг от друга на р номеров, концы обмоток всех дросселей подключены к нагрузке.1. Multi-cycle voltage converter containing N cells connected in parallel at the input and output, connected through p chokes to the parallel-connected output capacitor and the total load, the control device of each cell contains a pulse-width modulator and a sawtooth voltage generator, the input of each generator is connected to the outputs of the common pulse distributor for N channels, connected to the output of the master oscillator, the clock input of each pulse-width modulator is connected to the output of the sawtooth voltage generator, and the control input of the modulators is connected to the output of the feedback amplifier, the inputs of which are connected to the reference voltage source and the resistor voltage divider connected to a load, characterized in that the number of cells is a multiple of m, equal to two or three, the cells are divided into n groups of m cells in each group, with m = 2, one group includes cells whose currents are in pairs in antiphase (shifted in phase relative to q around the other by 180 °), with m = 3, one group includes cells whose currents are shifted in phase relative to each other by 120 °, the number of chokes varies from one to n, each of the chokes has k windings turned on according to the number cells, the number of chokes and the number of their windings are related by the ratio N = pk, the output of each cell of one group is connected to the beginning of the windings of one choke, the numbers of the cells included in one group differ from each other by p numbers, the ends of the windings of all chokes are connected to the load. 2. Многотактный преобразователь напряжения по п. 1, отличающийся тем, что ячейки выполнены по схеме импульсного стабилизатора напряжения с последовательным ключевым элементом.2. Multi-cycle voltage converter according to claim 1, characterized in that the cells are made according to the circuit of a pulse voltage regulator with a series key element. 3. Многотактный преобразователь напряжения по п. 1, отличающийся тем, что ячейки выполнены по схеме однотактного или двухтактного преобразователя постоянного напряжения.3. Multi-cycle voltage converter according to claim 1, characterized in that the cells are made according to the scheme of a single-cycle or push-pull DC voltage converter.
RU2021108858A 2021-03-31 2021-03-31 Multi-tact voltage converter RU2762043C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021108858A RU2762043C1 (en) 2021-03-31 2021-03-31 Multi-tact voltage converter

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021108858A RU2762043C1 (en) 2021-03-31 2021-03-31 Multi-tact voltage converter

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2762043C1 true RU2762043C1 (en) 2021-12-15

Family

ID=79175259

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021108858A RU2762043C1 (en) 2021-03-31 2021-03-31 Multi-tact voltage converter

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2762043C1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1081760A1 (en) * 1982-10-12 1984-03-23 Научно-Исследовательский Институт Автоматики И Электромеханики При Томском Институте Автоматизированных Систем Управления И Радиоэлектроники Adjustable multicell converter
SU1690125A1 (en) * 1989-06-12 1991-11-07 Научно-Исследовательский Институт Автоматики И Электромеханики При Томском Институте Автоматизированных Систем Управления И Радиоэлектроники Dc voltage converter
WO2001020758A1 (en) * 1999-09-17 2001-03-22 Koninklijke Philips Electronics N.V. Llc converter, and method for controlling an llc converter
RU125787U1 (en) * 2012-10-16 2013-03-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" (МАИ) HIGH-FREQUENCY INVERSIBLE DC CONVERTER WITH HIGH FREQUENCY INVERTER-TRANSFORMER
EP2573922A2 (en) * 2011-09-23 2013-03-27 Power Integrations, Inc. Power supply controller with minimum-sum multi-cycle modulation
RU2723565C1 (en) * 2019-12-09 2020-06-16 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) Dc/dc converter

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1081760A1 (en) * 1982-10-12 1984-03-23 Научно-Исследовательский Институт Автоматики И Электромеханики При Томском Институте Автоматизированных Систем Управления И Радиоэлектроники Adjustable multicell converter
SU1690125A1 (en) * 1989-06-12 1991-11-07 Научно-Исследовательский Институт Автоматики И Электромеханики При Томском Институте Автоматизированных Систем Управления И Радиоэлектроники Dc voltage converter
WO2001020758A1 (en) * 1999-09-17 2001-03-22 Koninklijke Philips Electronics N.V. Llc converter, and method for controlling an llc converter
EP2573922A2 (en) * 2011-09-23 2013-03-27 Power Integrations, Inc. Power supply controller with minimum-sum multi-cycle modulation
RU125787U1 (en) * 2012-10-16 2013-03-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" (МАИ) HIGH-FREQUENCY INVERSIBLE DC CONVERTER WITH HIGH FREQUENCY INVERTER-TRANSFORMER
RU2723565C1 (en) * 2019-12-09 2020-06-16 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) Dc/dc converter

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhou et al. A novel current-sharing control technique for low-voltage high-current voltage regulator module applications
US4245286A (en) Buck/boost regulator
US7310249B2 (en) Switching power supply circuit
US7304867B2 (en) DC-DC converter of multi-output type
US5793625A (en) Boost converter regulated alternator
US6023154A (en) Parallel and interwoven buck converter for high efficiency, low voltage power supply
US6897641B1 (en) Buck (or boost) converter with very fast output current transitions and low ripple voltage
US9729063B2 (en) Voltage adjustment system and method for parallel-stage power converter
US10224819B2 (en) Ripple canceling in power conversions circuits
Stillwell et al. A five-level flying capacitor multilevel converter with integrated auxiliary power supply and start-up
EP2315344A2 (en) Multi-voltage power supply
US20050242793A1 (en) Pulse forming converter
US20020015315A1 (en) Isolated dual converter having primary side internal feedback for output regulation
US11404959B2 (en) DC/DC power converter
US4703409A (en) Coupled power supply inductors for reduced ripple current
RU2762043C1 (en) Multi-tact voltage converter
CN110800203A (en) Hybrid resonant converter
US11705824B2 (en) Simple stabilization of half-bridge converter over its operating temperatures
EP0139870B1 (en) Ripple reduction in dc power supply circuits
Batarseh et al. Isolated switch-mode DC-DC converters
Zwicker Generation of multiple isolated bias rails for IGBT inverters using flyback/sepic/cuk combination
JPH04364358A (en) Dc-dc converter
Rayees et al. Multiple pulsed output DC-DC converter with current mode control technique and post regulators
US20230369969A1 (en) Voltage-balancing non-isolated high-step-down-ratio power supply
Petrocelli One-quadrant switched-mode power converters