RU2762290C9 - Инвертирующий повышающий преобразователь постоянного напряжения - Google Patents
Инвертирующий повышающий преобразователь постоянного напряжения Download PDFInfo
- Publication number
- RU2762290C9 RU2762290C9 RU2020139401A RU2020139401A RU2762290C9 RU 2762290 C9 RU2762290 C9 RU 2762290C9 RU 2020139401 A RU2020139401 A RU 2020139401A RU 2020139401 A RU2020139401 A RU 2020139401A RU 2762290 C9 RU2762290 C9 RU 2762290C9
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- charging
- converter
- chain
- reactor
- capacitor
- Prior art date
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
- H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
- H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
- H02M3/06—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider
- H02M3/07—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider using capacitors charged and discharged alternately by semiconductor devices with control electrode, e.g. charge pumps
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Dc-Dc Converters (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано при создании энергоэффективных автономных систем электроснабжения летательных и космических аппаратов, использующих источники с напряжением различной полярности относительно общей шины. Инвертирующий повышающий преобразователь постоянного напряжения содержит два входных вывода для подключения источника постоянного напряжения, n соединенных параллельно цепочек, включенных между входными выводами, состоящих каждая из последовательно соединенных зарядного транзисторного ключа, реактора, конденсатора и зарядного диода. В преобразователь введены разрядный транзисторный ключ, включенный между заземленным входным выводом и точкой соединения реактора и зарядного транзисторного ключа первой цепочки, (n-1) разрядных транзисторных ключей, каждый из которых включен между точкой соединения зарядного транзисторного ключа и реактора последующей цепочки и точкой соединения зарядного диода и конденсатора предыдущей цепочки, разрядный диод, включенный между точкой соединения зарядного диода и конденсатора последней цепочки и выходным выводом, между выходным и заземленным входным выводом включена нагрузка. Для обеспечения рекуперации электрической энергии от нагрузки обратно в первичный источник в качестве зарядных и разрядного диодов преобразователя могут быть применены дополнительные зарядные и разрядный транзисторные ключи, образующие с уже имеющимися в силовой цепи преобразователя зарядными и разрядными транзисторными ключами двунаправленные транзисторные ключи. Техническим результатом предлагаемого изобретения является улучшение массогабаритных показателей инвертирующего повышающего преобразователя путем исключения из его силовой цепи дополнительного входного источника и энергоэффективное получение заданного уровня отрицательного выходного напряжения от общего источника постоянного напряжения с заземленным отрицательным выводом. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано при создании автономных систем электроснабжения летательных и космических аппаратов, использующих источники с напряжением различной полярности относительно общей шины к энергоэффективности и массогабаритным показателям которых предъявляются повышенные требования.
Известен регулируемый инвертирующий повышающе-понижающий преобразователь постоянного напряжения (US Patent 4257087, US Cl. 363-16. DC-to-DC switching converter with zero input and output current ripple and integrated magnetics circuits / inventor S. M. Cuk. - N US 06/026,541; appl. date 02.04.1979; publ. date 17.03.1981, Преобразователь Кука), содержащий входной, выходной и общий выводы для подключения соответственно источника постоянного напряжения и нагрузки, входной реактор, подключенный к входному выводу, транзисторный ключ, соединяющий второй вывод реактора с общей шиной, инвертирующий конденсатор, включенный между вторым выводом реактора и анодом диода, катод которого подключен к общему выводу преобразователя и сглаживающий L,C - фильтр нижних частот, входные и выходные выводы которого подключены соответственно параллельно диоду и нагрузке.
Главное его достоинство - непрерывность входного и выходного токов, низкий уровень пульсаций выходного напряжения и отрицательный (относительно отрицательного вывода входного источника подключенного к общему выводу преобразователя) знак выходного регулируемого напряжения.
Недостаток преобразователя Кука - низкий КПД и завышенные массогабаритные показатели из-за высокого уровня динамических потерь мощности и ухудшения частотных свойств его полупроводниковых элементов, возникающих вследствие их жесткой коммутации. Другая причина завышения массы и габаритов преобразователя Кука состоит в том, что основным накопителем энергии в нем является входной реактор, удельные энерго-массогабаритные показатели которого значительно уступают аналогичным показателям современных многослойных керамических конденсаторов.
Кроме того, известен инвертирующий повышающий преобразователь постоянного напряжения (L.G. Zotov, V.P. Razinkin, М.A. Zharkov, V.V. Atuchin. Electrical Engineering (2020) 102:643-650, https://doi.org/10.1007/s00202-019-00900-v. ORIGINAL PAPER. Flying apparatus DC-DC starter-generator converter based on switching capacitor structures), показанный на Fig..2(b)), являющийся прототипом предлагаемого изобретения, содержащий два входных вывода для подключения источника постоянного напряжения, я соединенных параллельно цепочек, включенных между входными выводами, состоящих каждая из последовательно соединенных зарядного ключа, реактора, конденсатора, и зарядного диода.
Инвертирующий повышающий преобразователь вырабатывает отрицательное относительно общей заземленной шины выходное напряжение. Он входит в состав преобразователя с одинаковыми, но различными по знаку выходными напряжениями. Разно полярный выход обеспечивает двукратное снижение уровня выходных напряжений преобразователя, что положительно сказывается на его массогабаритных показателях.
Кроме того, КПД и массогабаритные показатели прототипа значительно улучшены благодаря мягкой коммутации его полупроводниковых элементов в моменты времени, когда их токи равны нулю.
Увеличение КПД прототипа происходит за счет снижения динамических потерь мощности при переключении его полупроводниковых элементов, а улучшение его массогабаритных показателей достигается благодаря его построению на основе конденсаторов, имеющих значительно лучшие по сравнению с реакторами удельные энергетически показатели. Дополнительное улучшение массогабаритных показателей прототипа достигается значительным уменьшением параметров реактивных элементов за счет мягкой коммутации его полупроводниковых элементов, обеспечивающей увеличению частоты их переключения. Мягкая коммутация реализуется благодаря наличию в цепочках прототипа последовательных колебательных контуров, обеспечивающих кусочно-синусоидальную форму тока через его полупроводниковые элементы.
Главный недостаток прототипа состоит в том, что отрицательный знак его выходного напряжения получен относительно положительного вывода дополнительного входного источника постоянного напряжения Е, подключенного к общей заземленной шине.
В результате оказывается невозможным создать преобразователь с различными по знаку выходными напряжениями, работающий от одного общего источника постоянного напряжения, подключенного к общей заземленной шине преобразователя своим отрицательным выводом.
Необходимость применения двух одинаковых входных источников постоянного напряжения E приводит к усложнению первичной сети преобразователя и, как следствие, ухудшению его массогабаритных показателей. Данное обстоятельство служит основой для запрета использования такого решения в современных летательных аппаратах.
Другим недостатком прототипа является невозможность рекуперации электрической энергии от нагрузки обратно во входной источник постоянного напряжения. Это ведет к необратимым и завышенным затратам энергии, невозможности ее восполнения со стороны нагрузки и в конечном счете к ухудшению массогабаритных показателей системы в целом ввиду необходимости увеличения энергетической емкости и габаритов входного источника.
Указанные недостатки не позволяют исключить дополнительный входной источник постоянного напряжения и обеспечить энергоэффективное получение заданного уровня отрицательного выходного напряжения преобразователя от одного общего входного источника постоянного напряжения с заземленным отрицательным выводом. В результате не удается добиться улучшения массогабаритных показателей преобразователя.
Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является улучшение массогабаритных показателей преобразователя путем исключения из его силовой цепи дополнительного входного источника и энергоэффективное получение заданного уровня отрицательного выходного напряжения от одного общего источника постоянного напряжения с заземленным отрицательным выводом. Дополнительной задачей предлагаемого изобретения является обеспечение рекуперации электрической энергии инвертирующего преобразователя от его нагрузки обратно во входной источник постоянного напряжения, позволяющей дополнительно улучшить его массогабаритные показатели.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в инвертирующий повышающий преобразователь постоянного напряжения, содержащий два входных вывода для подключения источника постоянного напряжения, я соединенных параллельно цепочек, включенных между входными выводами, состоящих каждая из последовательно соединенных зарядного транзисторного ключа, реактора, конденсатора, и зарядного диода, введены разрядный транзисторный ключ, включенный между заземленным входным выводом и точкой соединения реактора и зарядного транзисторного ключа первой цепочки, (n-1) разрядных транзисторных ключей, каждый из которых включен между точкой соединения зарядного транзисторного ключа и реактора последующей цепочки и точкой соединения зарядного диода и конденсатора предыдущей цепочки, разрядный диод, включенный между точкой соединения зарядного диода и конденсатора последней цепочки и выходным выводом, между выходным и заземленным входным выводом включена нагрузка. При этом в качестве зарядных и разрядного диодов могут быть применены дополнительные зарядные и разрядный транзисторные ключи, образующие с уже имеющимися в силовой цепи преобразователя зарядными и разрядными транзисторными ключами, двунаправленные транзисторные ключи.
На Фиг. 1. приведена принципиальная схема силовой цепи предлагаемого инвертирующего повышающего преобразователя постоянного напряжения, а на Фиг. 2. дана принципиальная схема инвертирующего двунаправленного преобразователя постоянного напряжения, обеспечивающего его работу не только в режиме повышения напряжения, но и в режиме рекуперации.
Предлагаемое устройство Фиг. 1. содержит я цепочек, состоящих каждая из последовательно соединенных зарядного ключа 1, реактора 2, конденсатора 3 и зарядного диода 4. Цепочки соединены параллельно и включены между входным 5 и заземленным входным 6 выводами преобразователя. Между заземленным входным выводом 6 и точкой соединения реактора и зарядного ключа первой цепочки включен разрядный ключ 7. Точка соединения зарядного ключа 1 и реактора 2 каждой последующей цепочки через разрядные ключи (7-9) соединены с точкой соединения зарядного диода и конденсатора предыдущей цепочки. Разрядный диод 10 включен между точкой соединения зарядного диода с конденсатором последней цепочки и выходным выводом 11 преобразователя. Между выходным выводом 11 и заземленным входным выводом 6 включена нагрузка 12.
Предлагаемый преобразователь работает следующим образом.
При периодическом высокочастотном открывании зарядных ключей 1 в n цепочках током кусочно синусоидальной формы происходит параллельный заряд конденсаторов 3 через реакторы 2 от входного источника постоянного напряжения E через зарядные диоды 4. После закрывания зарядных ключей 1 открываются разрядные ключи (7-9) и током также кусочно-синусоидальной формы происходит периодический разряд последовательно соединенных конденсаторов 3 через реакторы 2 и разрядный диод 10 на нагрузку 12. Последовательные колебательные контуры, образованные в цепочках реакторами 2 и конденсаторами 3, обеспечивают снижение динамических потерь мощности в полупроводниковых элементах силовой цепи преобразователя благодаря мягкой коммутации в моменты времени, когда их токи кусочно-синусоидальной формы равны нулю. В результате достигается увеличение КПД преобразователя.
Поскольку при открывании разрядных ключей (7-9) напряжение n соединенных последовательно конденсаторов равное n⋅E прикладывается к нагрузке в противоположном направлении, то выходное напряжение преобразователя относительно заземленного вывода 6, оказывается отрицательным и равным Uн=-n⋅E.
При этом благодаря мягкой коммутации всех полупроводниковых элементов преобразователя его КПД оказывается высоким.
При наличии требования рекуперации электрической энергии от нагрузки с напряжением -Eн<-n⋅E обратно в источник постоянного напряжения E зарядные 4 и разрядный 10 диоды заменяются на дополнительные зарядные и разрядный транзисторные ключи, образующие с уже имеющимися в силовой цепи преобразователя зарядными 1 и разрядными (7-9) транзисторными ключами, двунаправленные транзисторные ключи, как показано на Фиг. 2.
Способность транзисторных ключей преобразователя пропускать электрический ток в обоих направлениях обеспечивает достижение нового практически важного свойства предлагаемого преобразователя, каковым и является рекуперация.
Таким образом, техническим результатом предлагаемого изобретения является улучшение массогабаритных показателей инвертирующего повышающего преобразователя путем исключения из его силовой цепи дополнительного входного источника и энергоэффективное получение заданного уровня отрицательного выходного напряжения от общего источника постоянного напряжения с заземленным отрицательным выводом. Дополнительный технический результат предлагаемого изобретения заключается в обеспечении рекуперации электрической энергии инвертирующего повышающего преобразователя от его нагрузки обратно во входной источник постоянного напряжения, позволяющей дополнительно улучшить массогабаритные показатели.
Claims (2)
1. Инвертирующий повышающий преобразователь постоянного напряжения, содержащий два входных вывода для подключения источника постоянного напряжения, n соединенных параллельно цепочек, включенных между входными выводами, состоящих каждая из последовательно соединенных зарядного транзисторного ключа, реактора, конденсатора и зарядного диода, отличающийся тем, что в него введены разрядный транзисторный ключ, включенный между заземленным входным выводом и точкой соединения реактора и зарядного транзисторного ключа первой цепочки, (n-1) разрядных транзисторных ключей, каждый из которых включен между точкой соединения зарядного транзисторного ключа и реактора последующей цепочки и точкой соединения зарядного диода и конденсатора предыдущей цепочки, разрядный диод, включенный между точкой соединения зарядного диода и конденсатора последней цепочки и выходным выводом, между выходным и заземленным входным выводом включена нагрузка.
2. Инвертирующий повышающий преобразователь постоянного напряжения, содержащий входной и заземленный входной выводы для подключения источника постоянного напряжения, n подключенных к входному выводу цепочек, состоящих каждая из последовательно соединенных зарядного транзисторного ключа, реактора и конденсатора, подключенного к реактору своей положительной обкладкой, отличающийся тем, что в него введены разрядный транзисторный ключ, включенный между заземленным входным выводом и точкой соединения реактора и зарядного транзисторного ключа первой цепочки, n дополнительных зарядных ключей, каждый из которых соединяет отрицательную обкладку конденсатора соответствующей цепочки с заземленным входным выводом, (n-1) разрядных транзисторных ключей, каждый из которых включен между точкой соединения зарядного транзисторного ключа и реактора последующей цепочки и точкой соединения дополнительного зарядного транзисторного ключа и конденсатора предыдущей цепочки, дополнительный разрядный транзисторный ключ, включенный между точкой соединения дополнительного зарядного транзисторного ключа и конденсатора последней цепочки и выходным выводом, между выходным и заземленным входным выводом включена нагрузка, при этом дополнительные зарядные и дополнительный разрядный транзисторные ключи образуют соответственно с имеющимися в силовой цепи преобразователя зарядными и разрядными транзисторными ключами двунаправленные транзисторные ключи.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020139401A RU2762290C9 (ru) | 2020-11-30 | 2020-11-30 | Инвертирующий повышающий преобразователь постоянного напряжения |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020139401A RU2762290C9 (ru) | 2020-11-30 | 2020-11-30 | Инвертирующий повышающий преобразователь постоянного напряжения |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2762290C1 RU2762290C1 (ru) | 2021-12-17 |
RU2762290C9 true RU2762290C9 (ru) | 2022-01-31 |
Family
ID=79175318
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020139401A RU2762290C9 (ru) | 2020-11-30 | 2020-11-30 | Инвертирующий повышающий преобразователь постоянного напряжения |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2762290C9 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2792636C1 (ru) * | 2022-03-25 | 2023-03-22 | Акционерное общество "Научно-производственная корпорация "Космические системы мониторинга, информационно-управляющие и электромеханические комплексы" имени А.Г. Иосифьяна" АО "Корпорация "ВНИИЭМ" | Инвертирующий преобразователь постоянного напряжения накопительного типа |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2159472C2 (ru) * | 1996-01-16 | 2000-11-20 | Сименс Акциенгезелльшафт | Устройство для умножения напряжения |
US20180316263A1 (en) * | 2016-08-04 | 2018-11-01 | Boe Technology Group Co., Ltd. | Dc-dc converter, boosting unit, electric vehicle and battery backup system |
CN109639132A (zh) * | 2018-12-19 | 2019-04-16 | 北京理工大学 | 一种谐振开关电容变换器 |
CN209046525U (zh) * | 2018-10-24 | 2019-06-28 | 华中科技大学 | 一种marx发生器 |
-
2020
- 2020-11-30 RU RU2020139401A patent/RU2762290C9/ru active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2159472C2 (ru) * | 1996-01-16 | 2000-11-20 | Сименс Акциенгезелльшафт | Устройство для умножения напряжения |
US20180316263A1 (en) * | 2016-08-04 | 2018-11-01 | Boe Technology Group Co., Ltd. | Dc-dc converter, boosting unit, electric vehicle and battery backup system |
CN209046525U (zh) * | 2018-10-24 | 2019-06-28 | 华中科技大学 | 一种marx发生器 |
CN109639132A (zh) * | 2018-12-19 | 2019-04-16 | 北京理工大学 | 一种谐振开关电容变换器 |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2792636C1 (ru) * | 2022-03-25 | 2023-03-22 | Акционерное общество "Научно-производственная корпорация "Космические системы мониторинга, информационно-управляющие и электромеханические комплексы" имени А.Г. Иосифьяна" АО "Корпорация "ВНИИЭМ" | Инвертирующий преобразователь постоянного напряжения накопительного типа |
RU2806898C1 (ru) * | 2023-03-15 | 2023-11-08 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет" | Регулируемый повышающий преобразователь постоянного напряжения |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2762290C1 (ru) | 2021-12-17 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Shreelakshmi et al. | Design and development of a novel high voltage gain, high-efficiency bidirectional DC–DC converter for storage interface | |
Samadian et al. | A new coupled inductor nonisolated high step-up quasi Z-source DC–DC converter | |
Hsieh et al. | Novel high step-up DC–DC converter with coupled-inductor and switched-capacitor techniques for a sustainable energy system | |
Hsieh et al. | A novel high step-up DC–DC converter for a microgrid system | |
JP4691171B2 (ja) | 充放電装置 | |
EP3484042B1 (en) | Reconfigurable front end converter for full power energy storage applications | |
Yu et al. | Comparisons of three inductive pulse power supplies | |
CN116015087A (zh) | 降压辅助分裂源逆变器 | |
Almalaq et al. | A non-isolated high gain switched-inductor switched-capacitor step-up converter for renewable energy applications | |
Chen et al. | A new bidirectional DC-DC converter with a high step-up/down conversion ratio for renewable energy applications | |
Athikkal et al. | A voltage multiplier based non isolated high gain DC-DC converter for DC bus application | |
Samiullah et al. | A non‐isolated symmetrical design of voltage lift switched‐inductor boost converter with higher gain and low voltage stress across switches | |
RU2762290C9 (ru) | Инвертирующий повышающий преобразователь постоянного напряжения | |
Chen et al. | High step-up interleaved converter with three-winding coupled inductors and voltage multiplier cells | |
Li et al. | Improved quadratic boost converter using cross coupled-inductor | |
Safaee et al. | Time-domain analysis of a wide-dc-range series resonant dual-active-bridge bidirectional converter with a new passive auxilliary circuit | |
Almalaq et al. | Non-isolated high gain switched inductor DC-DC multilevel cuk converter for photovoltaic applications | |
KR101799369B1 (ko) | 양방향 컨버터를 이용한 멀티레벨 인버터 | |
WO2022151126A1 (zh) | 一种直流变换器、控制方法、直流汇流箱及光伏发电系统 | |
RU158535U1 (ru) | Преобразователь постоянного напряжения в постоянное | |
Bubovich et al. | Initial Evaluation of a Multilevel Inverter with Unfolding Stage for BESS Applications | |
Siddique et al. | Charge pump capacitor based high voltage gain DC-DC step-up converter | |
Zheng et al. | Multiphase interleaved high step-up converters | |
Krishna et al. | Performance Analysis of Switched Inductor-based Dual-Input DC-DC Converter with High DC-Voltage Gain | |
Kumar et al. | Level shifting voltage copier for hybrid electric vehicles |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
TH4A | Reissue of patent specification | ||
TK4A | Correction to the publication in the bulletin (patent) |
Free format text: CORRECTION TO CHAPTER -FG4A- IN JOURNAL 35-2021 FOR INID CODE(S) (72) |