RU2806668C1 - Dc-dc converter with active clamping - Google Patents
Dc-dc converter with active clamping Download PDFInfo
- Publication number
- RU2806668C1 RU2806668C1 RU2023109151A RU2023109151A RU2806668C1 RU 2806668 C1 RU2806668 C1 RU 2806668C1 RU 2023109151 A RU2023109151 A RU 2023109151A RU 2023109151 A RU2023109151 A RU 2023109151A RU 2806668 C1 RU2806668 C1 RU 2806668C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- capacitor
- winding
- transformer
- diode
- beginning
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к электротехнике, в частности преобразователям постоянного напряжения в постоянное, и может быть использовано в системах вторичного электропитания для преобразования, регулирования и стабилизации постоянного выходного напряжения, гальванически отделенного от входного постоянного напряжения и уменьшения динамических потерь.The invention relates to electrical engineering, in particular DC-to-DC converters, and can be used in secondary power supply systems to convert, regulate and stabilize a DC output voltage, galvanically separated from the input DC voltage and reduce dynamic losses.
Известны преобразователи постоянного напряжения с активным клампированием [1].DC-voltage converters with active clamping are known [1].
Недостатком известного преобразователя постоянного напряжение с активным клампированием является отсутствие возможности включения силового ключа на нулевое значение тока, что приводит к увеличению динамических потерь в силовом ключе при его включении, а также трапецеидальная форма тока через силовой ключ, что приводит к дополнительным потерям в силовом ключе в проводящем состоянии и динамических потерь при его выключении.The disadvantage of the known DC-voltage converter with active clamping is the inability to turn on the power switch at zero current value, which leads to an increase in dynamic losses in the power switch when it is turned on, as well as the trapezoidal shape of the current through the power switch, which leads to additional losses in the power switch in conducting state and dynamic losses when it is turned off.
Наиболее близок по технической сущности к предлагаемому устройству преобразователь постоянного напряжения с активным клампированием приведенный в [1], содержащий первичную обмотку трансформатора, подключённую через силовой регулирующий ключ к зажимам входного источника постоянного напряжения, параллельно которой подключен клампирующий элемент, составленный из последовательно соединенных конденсатора и дополнительного ключа, трансформатор осуществляющий электрическую развязку и получение требуемого уровня постоянного выходного напряжения, вторичные обмотки, подключённые через выпрямительные диоды ко входу Г-образного LC-фильтра, к выходу которого подключена нагрузка.The closest in technical essence to the proposed device is the DC-voltage converter with active clamping given in [1], containing the primary winding of the transformer connected through a power regulating switch to the terminals of the input DC voltage source, parallel to which is connected a clamping element consisting of a series-connected capacitor and an additional key, a transformer that performs electrical isolation and obtains the required level of constant output voltage, secondary windings connected through rectifier diodes to the input of an L-shaped LC filter, to the output of which the load is connected.
Цель изобретения - устранение указанных недостатков.The purpose of the invention is to eliminate these disadvantages.
Поставленная цель достигается тем, что в преобразователе постоянного напряжения с активным клампированием, первичная обмотка трансформатора которого через силовой регулирующий ключ подключена к зажимам входного источника постоянного напряжения, параллельно которой включен клампирующий элемент, а две вторичные обмотки трансформатора функционируют одновременно на интервале времени включенного состояния силового регулирующего ключа, при этом первая из них через выпрямительный диод подключена к первому конденсатору фильтра, а вторая, через выпрямительный диод подключена ко входу Г-образного LC-фильтра, выходной конденсатор которого включен последовательно с первым конденсатором фильтра, параллельно которым включена нагрузка, а вход Г-образного LC-фильтра через шунтирующий выпрямительный диод соединен с общей точкой соединения конденсаторов фильтра, параллельно которым включена нагрузка.This goal is achieved by the fact that in a DC voltage converter with active clamping, the primary winding of the transformer of which, through a power regulating switch, is connected to the terminals of the input DC voltage source, in parallel with which the clamping element is connected, and two secondary windings of the transformer operate simultaneously during the time interval of the on state of the power regulating switch. key, while the first of them is connected through a rectifying diode to the first filter capacitor, and the second, through a rectifying diode, is connected to the input of an L-shaped LC filter, the output capacitor of which is connected in series with the first filter capacitor, in parallel with which the load is connected, and the input G The -shaped LC filter is connected through a shunt rectifier diode to the common connection point of the filter capacitors, in parallel with which the load is connected.
На фиг.1, 2 и 3 показаны принципиальные электрические схемы вариантов выполнения предлагаемого преобразователя постоянного напряжения с активным клампированием. На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема преобразователя постоянного напряжения с активным клампированием; на фиг.2 представлена принципиальная электрическая схема преобразователя постоянного напряжения с активным клампированием с введением небольшой линейной индуктивности; на фиг.3 представлена принципиальная электрическая схема преобразователя постоянного напряжения с активным клампированием с введением дополнительной третей вторичной обмотки.Figures 1, 2 and 3 show schematic electrical diagrams of embodiments of the proposed DC-DC converter with active clamping. Figure 1 shows a schematic diagram of a DC-DC converter with active clamping; Fig. 2 shows a schematic diagram of a DC-DC converter with active clamping with the introduction of a small linear inductance; Figure 3 shows a schematic diagram of a DC-DC converter with active clamping with the introduction of an additional third of the secondary winding.
В нем (фиг.1) начало первичной обмотки 1 трансформатора 2 соединено с положительным полюсом входного источника постоянного напряжения, а конец первичной обмотки 1 через силовой регулирующий ключ 3, реализованный в виде полевого транзистора MOSFET, подключен к отрицательному полюсу входного источника постоянного напряжения. Параллельно первичной обмотке 1 трансформатора 2 включен клампирующий элемент, составленный из последовательно соединенных конденсатора 4 и дополнительного ключа 5, реализованного в виде полевого транзистора MOSFET. С началом вторичной обмотки 6 трансформатора 2 соединен анод выпрямительного диода 7, катод которого подключен к одному из выводов конденсатора 8, второй вывод которого подключен к концу обмотки 6. Начало обмотки 6 соединено с концом обмотки 9, начало которой подключено к аноду диода 10, катод которого соединен с индуктивностью 11 Г-образного LC-фильтра, второй вывод которого соединен с конденсатором 12, являющимся выходным конденсатором LC-фильтра, включенный последовательно с конденсатором 8, параллельно которым включена нагрузка 13. К общей точке соединения индуктивности 11 и выпрямительного диода 10 подключен катод шунтирующего диода 14, анод которого подключен к общей точке соединения конденсаторов 8, 12. Управляющие электроды ключей 3,5 подключены к широтно-импульсному контроллеру 15.In it (Fig. 1), the beginning of the primary winding 1 of the transformer 2 is connected to the positive pole of the input constant voltage source, and the end of the primary winding 1 through the power control switch 3, implemented in the form of a MOSFET field-effect transistor, is connected to the negative pole of the input constant voltage source. A clamping element consisting of a series-connected capacitor 4 and an additional switch 5, implemented in the form of a MOSFET field-effect transistor, is connected in parallel with the primary winding 1 of the transformer 2. The anode of the rectifier diode 7 is connected to the beginning of the secondary winding 6 of the transformer 2, the cathode of which is connected to one of the terminals of the capacitor 8, the second terminal of which is connected to the end of the winding 6. The beginning of the winding 6 is connected to the end of the winding 9, the beginning of which is connected to the anode of the diode 10, the cathode which is connected to the inductance 11 of the L-shaped LC filter, the second terminal of which is connected to the capacitor 12, which is the output capacitor of the LC filter, connected in series with the capacitor 8, in parallel with which the load 13 is connected. To the common connection point of the inductance 11 and the rectifier diode 10 is connected the cathode of the shunt diode 14, the anode of which is connected to the common connection point of the capacitors 8, 12. The control electrodes of the keys 3.5 are connected to the pulse-width controller 15.
Принцип действия предлагаемого преобразователя постоянного напряжения с активным клампированием рассмотрим исходя из предположения идеальности ключевых элементов, установившегося режима работы и непрерывности изменения магнитного потока в сердечнике трансформатора 2. Обозначим через D относительную к периоду T длительность включенного состояния ключа 3. В этом случае на этапе замкнутого состояния DT ключа 3 происходит передача энергии в нагрузку через прямосмещенный выпрямительный диод 7 и вторичную обмотку 6. При этом вследствие баланса зарядов на интервалах времени DT и (1-D)T конденсатора 8 через выпрямительный диод 7 течет ток I L / D, где I L - ток нагрузки, а напряжение на конденсаторе 8 определяется выражением n 1 V IN , где n 1 - отношение витков обмотки 6 к обмотке 1.We will consider the principle of operation of the proposed DC-DC converter with active clamping based on the assumption of the ideality of the key elements, steady-state operating mode and continuity of change in the magnetic flux in the core of transformer 2. Let us denote byD relative to the periodT duration of the on state of key 3. In this case, at the closed state stageD.T. switch 3, energy is transferred to the load through a forward-biased rectifier diode 7 and the secondary winding 6. In this case, due to the balance of charges at time intervalsD.T. And(1-D)Tcapacitor 8 current flows through rectifier diode 7I L / D, WhereI L - load current, and the voltage on capacitor 8 is determined by the expressionn 1 V IN , Wheren 1 - ratio of turns of winding 6 to winding 1.
Однако одновременно с передачей энергии в нагрузку по вторичной обмотке 6 и диоду 7 идет передача энергии в нагрузку на этом отрезке времени и по вторичной обмотке 9 и прямосмещенному диоду 10 на вход Г-образного LC-фильтра, выходной конденсатор 12 которого соединен последовательно с конденсатором 8. В результате этой передачи энергии в нагрузку на конденсаторе 12 формируется напряжение равное n 2 V IN D, где n 2 - отношение витков обмотки 9 к обмотке 1.However, simultaneously with the transfer of energy to the load through the secondary winding 6 and diode 7, energy is transferred to the load during this period of time and through the secondary winding 9 and forward biased diode 10 to the input of the L-shaped LC filter, the output capacitor 12 of which is connected in series with capacitor 8 As a result of this transfer of energy to the load, a voltage is formed on capacitor 12 equal to n 2 V IN D , where n 2 is the ratio of the turns of winding 9 to winding 1.
Вследствие одновременности передачи энергии в нагрузку по обеим вторичным обмоткам 6, 9 трансформатора 2 через диод 7 течет разностный ток (I L / D - I L ), составляющий величину тока I L (1-D)/D, что значительно меньше I L /D и, как следствие, меньше потери в диоде 7 и пульсации напряжения в конденсаторе 8. Выходное напряжение (n 1 V IN +n 2 V IN D) равно сумме напряжений на конденсаторах 8, 12.Due to the simultaneous transfer of energy to the load through both secondary windings 6, 9 of transformer 2, a difference current flows through diode 7 (I L / D -I L ), constituting the current valueI L (1-D)/D, which is significantly lessI L /D and, as a result, there is less loss in diode 7 and voltage ripple in capacitor 8. Output voltage(n 1 V IN +n 2 V IN D) equal to the sum voltages on capacitors 8, 12.
После выключения ключа 3 включается дополнительный ключ 5 клампирующего элемента и напряжение на обмотке 1 трансформатора 2 фиксируется на уровне напряжения на конденсаторе 4 равного V IN D/(1-D). Вследствие переполюсовки напряжений на всех обмотках трансформатора 2 и фиксации напряжения на первичной обмотке 1 трансформатора 2, выпрямительные диоды 7, 10 запираются, а шунтирующий диод 14 включается и переключает ток индуктивности 11 на себя. Одновременно с этим процессом ток намагничивания трансформатора 2 переключается на включившийся дополнительный ключ 5 и конденсатор 4, составляющие клампирующий элемент.After turning off the key 3, the additional key 5 of the clamping element is turned on and the voltage on winding 1 of transformer 2 is fixed at the voltage level on capacitor 4 equal to V IN D/(1-D) . Due to the polarity reversal of the voltages on all windings of transformer 2 and fixation of the voltage on the primary winding 1 of transformer 2, the rectifier diodes 7, 10 are turned off, and the shunt diode 14 is turned on and switches the inductance current 11 to itself. Simultaneously with this process, the magnetizing current of transformer 2 is switched to the switched on additional switch 5 and capacitor 4, which make up the clamping element.
При передаче энергии в выходную цепь на интервале времени DT, включенного состояния ключа 3, протекают два процесса: один из которых связан с одновременным намагничиванием трансформатора 2 по первичной обмотке 1 от источника входного напряжения V IN и по вторичной обмотке 6 от напряжения n 1 V IN на конденсаторе 8. В результате этих намагничиваний токи пропорционально линейно нарастают. Во вторичной обмотке 6 нарастание этого тока приводит к уменьшению тока через выпрямительный диод 7, находящийся в проводящем состоянии на этом интервале времени. Линейное уменьшение тока через выпрямительный диод 7 трансформируется в первичную обмотку 1 и компенсирует линейное нарастание тока по первичной обмотке 1, что приводит к прямоугольной форме тока через регулирующий ключ 3.When transferring energy to the output circuit over a time intervalD.T.When switch 3 is turned on, two processes occur: one of which is associated with the simultaneous magnetization of transformer 2 along the primary winding 1 from the input voltage sourceV IN and along the secondary winding 6 from the voltagen 1 V IN on capacitor 8. As a result of these magnetizations, the currents increase linearly in proportion. In the secondary winding 6, an increase in this current leads to a decrease in the current through the rectifier diode 7, which is in a conducting state during this time interval. The linear decrease in current through the rectifier diode 7 is transformed into the primary winding 1 and compensates for the linear increase in current through the primary winding 1, which leads to a rectangular shape of the current through the regulating switch 3.
Второй процесс связан с моментом включения силового регулирующего ключа 3. При включении силового регулирующего ключа 3 и выключении дополнительного ключа 5 клампирующего элемента происходит переполюсовка напряжений на обмотках трансформатора 2 и включение выпрямительного диода 7. Однако включение выпрямительного диода 7 происходит с временной задержкой по отношению к моменту включения силового регулирующего ключа 3. Эта задержка обусловлена конечным временем изменения напряжения на обмотках трансформатора 2 и положительным потенциалом на катоде выпрямительного диода 7 равного n 1 V IN .The second process is associated with the moment of turning on the power regulating key 3. When turning on the power regulating key 3 and turning off the additional key 5 of the clamping element, the voltages on the windings of the transformer 2 are reversed and the rectifier diode 7 is turned on. However, the rectifier diode 7 is turned on with a time delay relative to the moment turning on the power control switch 3. This delay is due to the finite time of voltage change on the windings of the transformer 2 and the positive potential at the cathode of the rectifier diode 7 equal to n 1 V IN .
Временная задержка передачи энергии в выходную цепь при включении силового регулирующего ключа 3 приводит к разнесению фронтов тока и напряжения на силовом регулирующем ключе 3 и снижению динамических потерь при его включении.The time delay in the transfer of energy to the output circuit when the power control switch 3 is turned on leads to a separation of the current and voltage fronts on the power control switch 3 and a reduction in dynamic losses when it is turned on.
Введение небольшой линейной индуктивности 16 (фиг.2), составляющей наногенри, последовательно со вторичной обмоткой 6 усиливает эффект формирования нулевого значения тока через силовой регулирующий ключ 3 при его включении.The introduction of a small linear inductance 16 (Fig. 2), a nanohenry component, in series with the secondary winding 6 enhances the effect of generating a zero current value through the power control switch 3 when it is turned on.
Введение дополнительной третей вторичной обмотки 17 (фиг.3), включенной началом к общей точке соединения конденсаторов 8, 12, а концом к аноду шунтирующего диода 14, катод которого подключен к общей точке соединения диода 10 и индуктивности 11, позволяет расширить диапазон регулирования до величины (n 1 V IN + (n 2+ n 3 )V IN D), где n 3 - отношение витков обмотки 17 к обмотке 1.The introduction of an additional third of the secondary winding 17 (Fig. 3), connected at the beginning to the common connection point of the capacitors 8, 12, and at the end to the anode of the shunt diode 14, the cathode of which is connected to the common connection point of the diode 10 and inductance 11, allows you to expand the control range to (n 1 V IN + (n 2+ n 3 )V IN D) , where n 3 is the ratio of turns of winding 17 to winding 1.
Как уже отмечалось выше ток через силовой регулирующий ключ 3 носит прямоугольный характер, что снижает потери на силовом регулирующем ключе 3 при его выключении, поскольку ключ выключается на меньший ток.As noted above, the current through the power control switch 3 is rectangular in nature, which reduces losses on the power control switch 3 when it is turned off, since the switch is turned off at a lower current.
Таким образом, предлагаемый преобразователь постоянного напряжения с активным клампированием, по сравнению с известным устройством позволяет формировать постоянное выходное напряжение из постоянного входного напряжения с уменьшением динамических потерь, обеспечивая возможность включения силового ключа на нулевое значение тока и, как следствие, уменьшение динамических потерь в силовом ключе при его включении и вследствие прямоугольности тока в проводящем состоянии при выключении.Thus, the proposed DC-DC converter with active clamping, in comparison with the known device, makes it possible to generate a constant output voltage from a constant input voltage with a reduction in dynamic losses, providing the ability to turn on the power switch to zero current value and, as a consequence, reducing dynamic losses in the power switch when it is turned on and due to the squareness of the current in the conducting state when turned off.
1. А.с. №892614 (СССР) МКИ H02M3/335 “Однотактный регулятор постоянного напряжения” А.Г. Поликарпов, Е.Ф. Сергиенко.1. A.s. No. 892614 (USSR) MKI H02M3/335 “Single-cycle constant voltage regulator” A.G. Polikarpov, E.F. Sergienko.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2024/000124 WO2024215222A1 (en) | 2023-04-12 | 2024-04-10 | Dc converter with active clamping |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2806668C1 true RU2806668C1 (en) | 2023-11-02 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2823794C1 (en) * | 2024-03-08 | 2024-07-30 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Инпут Трансформейшн Аутпут Корпорейшн" | Forward converter of constant voltage with energy transfer in pulse |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3818311A (en) * | 1972-11-03 | 1974-06-18 | Ibm | Protective circuit for semi-conductor switch |
| SU892614A1 (en) * | 1980-04-11 | 1981-12-23 | Московский Ордена Ленина Энергетический Институт | One-cycle dc voltage regulator |
| SU892613A1 (en) * | 1980-04-24 | 1981-12-23 | Московский Ордена Ленина Энергетический Институт | One-cycle dc voltage regulator |
| SU978293A1 (en) * | 1980-01-17 | 1982-11-30 | Винницкий Завод Радиотехнической Аппаратуры | Dc voltage to dc voltage converter |
| SU1152074A1 (en) * | 1983-08-31 | 1985-04-23 | Предприятие П/Я Р-6510 | Stabilized d.c. voltage converter |
| RU2779933C1 (en) * | 2022-02-11 | 2022-09-15 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" | Single-ended forward-flyback converter |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3818311A (en) * | 1972-11-03 | 1974-06-18 | Ibm | Protective circuit for semi-conductor switch |
| SU978293A1 (en) * | 1980-01-17 | 1982-11-30 | Винницкий Завод Радиотехнической Аппаратуры | Dc voltage to dc voltage converter |
| SU892614A1 (en) * | 1980-04-11 | 1981-12-23 | Московский Ордена Ленина Энергетический Институт | One-cycle dc voltage regulator |
| SU892613A1 (en) * | 1980-04-24 | 1981-12-23 | Московский Ордена Ленина Энергетический Институт | One-cycle dc voltage regulator |
| SU1152074A1 (en) * | 1983-08-31 | 1985-04-23 | Предприятие П/Я Р-6510 | Stabilized d.c. voltage converter |
| RU2779933C1 (en) * | 2022-02-11 | 2022-09-15 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" | Single-ended forward-flyback converter |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2823794C1 (en) * | 2024-03-08 | 2024-07-30 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Инпут Трансформейшн Аутпут Корпорейшн" | Forward converter of constant voltage with energy transfer in pulse |
| RU2823793C1 (en) * | 2024-03-08 | 2024-07-30 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Инпут Трансформейшн Аутпут Корпорейшн" | Forward converter of constant voltage with energy transfer in pause |
| RU2825888C1 (en) * | 2024-03-11 | 2024-09-02 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Инпут Трансформейшн Аутпут Корпорейшн" | Single-cycle constant voltage converter with forward and reverse transfer of energy to load |
| RU2825889C1 (en) * | 2024-03-17 | 2024-09-02 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Инпут Трансформейшн Аутпут Корпорейшн" | Single-cycle constant voltage converter with reverse transfer of energy to load |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10833594B2 (en) | System and method of controlling a power converter having an LC tank coupled between a switching network and a transformer winding | |
| US7746670B2 (en) | Dual-transformer type of DC-to-DC converter | |
| US9812977B2 (en) | Resonant converters with an improved voltage regulation range | |
| US20220209684A1 (en) | Control method of power conversion device | |
| US20030021130A1 (en) | Switching power converter apparatus and methods using switching cycle with energy holding state | |
| US20230307928A1 (en) | Charging system, charging method, and vehicle | |
| RU2806668C1 (en) | Dc-dc converter with active clamping | |
| RU2809337C1 (en) | Dc-dc converter with active clamping | |
| RU2815911C1 (en) | High-efficiency active-clamping constant voltage converter | |
| RU2809335C1 (en) | Dc-dc converter with active clamping | |
| RU2822282C1 (en) | Transformer flyback dc voltage converter with active clamping | |
| RU2802595C1 (en) | Single-step dc/dc transducer | |
| RU2812961C1 (en) | Flyback dc converter with active clamping | |
| RU2815910C1 (en) | Step-up constant voltage regulator | |
| KR102075470B1 (en) | A flyback converter | |
| RU2822283C1 (en) | Transformer wide-range flyback dc voltage converter with passive clamping | |
| RU2809839C1 (en) | Low voltage half-bridge dc-dc converter | |
| RU2825888C1 (en) | Single-cycle constant voltage converter with forward and reverse transfer of energy to load | |
| RU2818293C1 (en) | Push-pull dc voltage converter | |
| RU2826687C1 (en) | Single-cycle constant voltage converter with direct transfer of energy to load | |
| RU2815073C1 (en) | Bipolar constant voltage regulator | |
| RU2825889C1 (en) | Single-cycle constant voltage converter with reverse transfer of energy to load | |
| RU2826684C1 (en) | Magnetically coupled single-cycle constant voltage converter with voltage doubling on load | |
| WO2024215222A1 (en) | Dc converter with active clamping | |
| RU2823796C1 (en) | Transformer flyback constant voltage converter with passive clamping |