RU2806898C1 - Регулируемый повышающий преобразователь постоянного напряжения - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано при создании малогабаритных и энергоэффективных многоуровневых повышающих регуляторов постоянного напряжения. Регулируемый повышающий преобразователь постоянного напряжения содержит входной, выходной и общий выводы для подключения соответственно источника постоянного напряжения и выходного конденсатора, n цепочек, состоящих каждая из последовательно соединенных зарядного диода, конденсатора, реактора и зарядного ключа, причем аноды зарядных диодов второй и последующих цепочек подключены к входному, а вторые выводы зарядных ключей всех цепочек к общему выводу преобразователя. Преобразователь содержит также (n-1) разрядных ключей, каждый из которых включен между точкой соединения реактора и зарядного ключа предыдущей цепочки и точкой соединения зарядного диода и конденсатора последующей цепочки, разрядный ключ, включенный между входным выводом и точкой соединения реактора и зарядного ключа последней цепочки, разрядный диод, включенный между точкой соединения зарядного диода с конденсатором первой цепочки и выходным выводом. В предлагаемый преобразователь введен двухуровневый широтно-импульсный регулятор постоянного напряжения, включенный между входным выводом преобразователя и анодом зарядного диода первой цепочки. Технический результат - улучшение массогабаритных показателей преобразователя за счет упрощения его силовой цепи. 1 ил.

Description

Предлагаемое изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано при создании малогабаритных и энегоэффективных многоуровневых повышающих регуляторов постоянного напряжения.

Известен регулируемый повышающий преобразователь постоянного напряжения [Электротехника, №10, 2007, с.34-40, рис.1- блок А1.1], содержащий входной, выходной и общий выводы для подключения соответственно источника постоянного напряжения и нагрузки, n соединенных параллельно цепочек, включенных между входным и общим выводами, состоящих каждая из последовательно соединенных зарядного диода, конденсатора и зарядного ключа, (n-1) разрядных ключей, каждый из которых включен между разноименными выводами конденсаторов соответствующих смежных цепочек, разрядный ключ, включенный между входным выводом и точкой соединения конденсатора и зарядного ключа последней цепочки.

Дискретная регулировка выходного напряжения в данном преобразователе осуществляется изменением числа последовательно соединенных конденсаторов, разряжающихся на нагрузку, путем управления коммутацией разрядных ключей его силовой цепи.

К недостаткам данного регулируемого повышающего преобразователя следует отнести отсутствие плавной регулировки выходного напряжения, а также низкий КПД и плохие массогабаритные показатели из-за увеличения динамических потерь мощности и низкой частоты переключения полупроводниковых элементов силовой цепи ввиду их жесткой коммутации.

Кроме того, известен регулируемый повышающий преобразователь постоянного напряжения [Патент RU 2734101C12020 МПК H02M3/18], являющийся прототипом предлагаемого изобретения, содержащий входной, выходной и общий выводы для подключения соответственно источника постоянного напряжения и выходного конденсатора, n цепочек, состоящих каждая из последовательно соединенных зарядного диода, конденсатора, реактора и зарядного ключа, причем аноды зарядных диодов второй и последующих цепочек подключены к входному, а вторые выводы зарядных ключей всех цепочек к общему выводу преобразователя, (n-1) разрядных ключей, каждый из которых включен между точкой соединения реактора и зарядного ключа предыдущей цепочки и точкой соединения зарядного диода и конденсатора последующей цепочки, разрядный ключ, включенный между входным выводом и точкой соединения реактора и зарядного ключа последней цепочки, разрядный диод, включенный между точкой соединения зарядного диода с конденсатором первой цепочки и выходным выводом преобразователя.

Увеличение КПД преобразователя - прототипа достигается благодаря тому, что плавная регулировка его выходного напряжения происходит в дискретно изменяющемся диапазоне от до при переключении числа цепочек в пределах управлением их коммутацией. При этом КПД и массогабаритные показатели прототипа значительно улучшены не только благодаря мягкой коммутации его полупроводниковых элементов в моменты времени, когда их токи равны нулю, но и за счет снижения динамических потерь мощности при неизменно малом напряжении на регулирующем элементе двухуровневого широтно-импульсного преобразователя равном напряжению дискретного диапазона. Отметитм, что ввиду малой выходной мощности двухуровневого широтно-импульсного регулятора (в N раз меньше мощности нагрузки) его введение практически не оказывает влияния на ухудшение массогабаритных преобразователя.

Улучшение массогабаритных показателей прототипа достигается также и сопутствующим мягкой коммутации увеличением частоты переключения полупроводниковых элементов.

Главный недостаток прототипа - завышенные массогабаритные показатели из-за сложности его силовой цепи ввиду наличия в ней дополнительного выходного конденсатора и дополнительного разрядного диода.

Задачей предлагаемого изобретения является улучшение массогабаритных показателей повышающего преобразователя постоянного напряжения при сохранении плавной регулировки его выходного напряжения и высокого КПД.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в регулируемый повышающий преобразователь постоянного напряжения, содержащий входной, выходной и общий выводы для подключения соответственно источника постоянного напряжения и выходного конденсатора, n цепочек, состоящих каждая из последовательно соединенных зарядного диода, конденсатора, реактора и зарядного ключа, причем аноды зарядных диодов второй и последующих цепочек подключены к входному, а вторые выводы зарядных ключей всех цепочек к общему выводу преобразователя, (n-1) разрядных ключей, каждый из которых включен между точкой соединения реактора и зарядного ключа предыдущей цепочки и точкой соединения зарядного диода и конденсатора последующей цепочки, разрядный ключ, включенный между входным выводом и точкой соединения реактора и зарядного ключа последней цепочки, разрядный диод, включенный между точкой соединения зарядного диода с конденсатором первой цепочки и выходным выводом, введен двухуровневый широтно-импульсный регулятор постоянного напряжения, включенный между входным выводом преобразователя и анодом зарядного диода первой цепочки.

На чертеже приведена принципиальная схема силовой цепи предлагаемого регулируемого повышающего преобразователя постоянного напряжения.

Предлагаемое устройство содержит n цепочек, состоящих каждая из последовательно соединенных зарядного диода 1, конденсатора 2, реактора 3 и зарядного ключа 4. причем аноды зарядных диодов 1 второй и последующих цепочек подключены к входному 5, а вторые выводы зарядных ключей всех цепочек к общему выводу 6 преобразователя. Точки соединения реактора 3 и зарядного ключа 4 предыдущей цепочки через разрядные ключи (7-9) соединены с положительным выводом конденсатора 2 последующей цепочки. Разрядный ключ 10 соединяет входной вывод 5 с точкой соединения реактора 3 и зарядного ключа 4 последней цепочки. Разрядный диод 11 включен между точкой соединения зарядного диода 1 с конденсатором 2 первой цепочки и выходным выводом 12. К выходному выводу 12 и общему выводу 6 подключен выходной конденсатор 13 и нагрузка 14. Двухуровневый широтно-импульсный регулятор постоянного напряжения 15, включен между входным выводом преобразователя 5 и анодом зарядного диода 1 первой цепочки.

Предлагаемый регулируемый повышающий преобразователь постоянного напряжения работает следующим образом.

В исходном состоянии при периодическом высокочастотном открывании зарядных ключей 4 во второй и последующих цепочках током кусочно-синусоидальной формы происходит заряд их конденсаторов 2 через реакторы 3 от входного источника постоянного напряжения через соответствующие зарядные диоды 1. При этом заряд конденсатора 2 первой цепочки происходит таким же током кусочно-синусоидальной формы, но только от плавно регулируемого в диапазоне двухуровневого широтно-импульсного регулятора постоянного напряжения 15.

В результате напряжение на конденсаторе первой цепочки плавно регулируется в пределах от 0 до , а на конденсаторах второй и последующих цепочек оно практически всегда равно .

После закрывания зарядных ключей 4 открываются разрядные ключи (7-10) и таким же, как и при заряде, током кусочно-синусоидальной формы происходит периодический последовательный разряд всех конденсаторов 2 через реакторы 3 разрядный диод 11 на нагрузку (13,14). Поскольку разряд соединенных последовательно конденсаторов первой и последующих цепочек происходит через последовательно соединенный с ними источник , то величина плавно регулируемого выходного напряжения преобразователя, прикладываемого к его нагрузке, оказывается равной .

Отсюда следует, что дискретное переключение числа цепочек от нуля до (осуществляется поочередным попарным переводом разрядных (7-10) и зарядных 4 ключей из отсечки в режим периодической коммутации) в сочетании с регулировкой выходного напряжения двухуровневого широтно-импульсного регулятора 15 от нуля до обеспечивает плавное и энергоэффективное регулирование выходного напряжения предлагаемого повышающего преобразователя в диапазоне от нуля до .

Следует отметить, что напряжение от плавно регулируемого двухуровневого широтно-импульсного регулятора постоянного напряжения 15 может изменяться также и в диапазоне от до . В этом случае плавная и энергоэффективная регулировка выходного напряжения будет происходить в пределах от до .

При этом, массогабаритные показатели предлагаемого повышающего преобразователя оказываются улучшенными за счет исключения из его силовой цепи громоздкого дополнительного выходного конденсатора и дополнительного диода.

Последовательные колебательные контуры, образованные в цепочках конденсаторами 2 и реакторами 3, обеспечивают снижение динамических потерь мощности в полупроводниковых элементах силовой цепи преобразователя благодаря мягкой коммутации в моменты времени, когда токи, протекающие через них, равны нулю. В результате КПД предлагаемого преобразователя оказывается высоким.

Таким образом, благодаря упрощению силовой цепи, предлагаемый регулируемый повышающий преобразователь постоянного напряжения обладает улучшенными массогабаритными показателями при сохранении высокого значения его КПД.

Claims (1)

1. Регулируемый повышающий преобразователь постоянного напряжения, содержащий входной, выходной и общий выводы для подключения соответственно источника постоянного напряжения и выходного конденсатора, n цепочек, состоящих каждая из последовательно соединенных зарядного диода, конденсатора, реактора и зарядного ключа, причем аноды зарядных диодов второй и последующих цепочек подключены к входному, а вторые выводы зарядных ключей всех цепочек к общему выводу преобразователя, (n-1) разрядных ключей, каждый из которых включен между точкой соединения реактора и зарядного ключа предыдущей цепочки и точкой соединения зарядного диода и конденсатора последующей цепочки, разрядный ключ, включенный между входным выводом и точкой соединения реактора и зарядного ключа последней цепочки, разрядный диод, включенный между точкой соединения зарядного диода с конденсатором первой цепочки и выходным выводом, отличающийся тем, что в него введен двухуровневый широтно-импульсный регулятор постоянного напряжения, включенный между входным выводом преобразователя и анодом зарядного диода первой цепочки.

Images