RU2807665C1

RU2807665C1 - Power factor corrector

Info

Publication number: RU2807665C1
Application number: RU2023108433A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Григорьевич Поликарпов; Владимир Анатольевич Поликарпов
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Инпут Трансформейшн Аутпут Корпорейшн"
Filing date: 2023-04-04
Publication date: 2023-11-21

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to AC to DC voltage converters that can be used in secondary power supply systems for power factor correction, converting, regulating and stabilizing a DC output voltage. The device contains the primary winding 1 of the power transformer 3, connected through a regulating switch 2 implemented in the form (MOSFET), the control electrode of which is connected to the pulse-duration controller 11 and the terminals of the rectifier bridge, the secondary windings 4, 9 of which are connected through rectifier diodes 5, 8 to series-connected filter capacitors 6, 7, in parallel with which load 10 is connected. In the proposed power factor corrector, the beginning of the primary winding 1 of the power transformer 3 is connected to the positive pole of the rectifier bridge, the second pole of which is connected through the regulating switch 2 to the negative pole of the rectifier bridge. The anode of the rectifying diode 5 is connected to the beginning of the secondary winding 4 of the power transformer 3, the cathode of which is connected to one of the terminals of the capacitor 6. The second terminal of capacitor 6 is connected to the end of winding 4. The end of winding 4 is connected to one of the terminals of capacitor 7, the second terminal of which is connected to the anode of the rectifying diode 8, the cathode of which is connected to the beginning of winding 9, the end of which is connected to the end of winding 4. Load 10 is connected in parallel to the series-connected capacitors 6 and 7. The control electrode of the regulating key 2 is connected to the pulse-width controller 11.

EFFECT: formation of a constant output voltage from an alternating input voltage using one voltage converter that combines the functions of a Boost Converter and a DC-to-DC Converter, which performs electrical isolation and obtains the required level of constant output voltage, ensuring the current is in phase with alternating voltage, simplifying the control circuit of the voltage converter, improving the performance of the power factor corrector.

3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к преобразователям переменного напряжения в постоянное напряжение, и может быть использовано в системах вторичного электропитания для коррекции коэффициента мощности, преобразования и регулирования постоянного выходного напряжения. The invention relates to electrical engineering, in particular to AC-to-DC voltage converters, and can be used in secondary power supply systems for power factor correction, conversion and regulation of DC output voltage.

Известны корректоры коэффициента мощности [Robert W. Erickson Fundamentals of Power Electronics стр. 603 Фиг. 17.11].Power factor correctors are known [Robert W. Erickson Fundamentals of Power Electronics page 603 FIG. 17.11].

Недостатком известных корректоров коэффициента мощности является использование двухкаскадных устройств, включающих в себя повышающий регулятор (Boost Converter), к выходу которого подключен преобразователь постоянного напряжения в постоянное (DC-DC Converter), осуществляющий электрическую развязку и получение требуемого уровня выходного напряжения.The disadvantage of the known power factor correctors is the use of two-stage devices that include a boost regulator (Boost Converter), to the output of which a DC-DC Converter is connected, which performs electrical isolation and obtains the required level of output voltage.

Вторым недостатком известных корректоров коэффициента мощности является сложность управлениям таким корректором коэффициента мощности.The second disadvantage of known power factor correctors is the complexity of controlling such a power factor corrector.

Наиболее близок по технической сущности к предлагаемому устройству корректор коэффициента мощности, приведенный в книге [Robert W. Erickson Fundamentals of Power Electronics стр. 603 Фиг. 17.11], в котором к источнику переменного напряжения через выпрямительный мост подключен корректор коэффициента мощности, включающий в себя повышающий регулятор (Boost Converter) со своей схемой управления, к выходу которого подключен преобразователь постоянного напряжения в постоянное (DC-DC Converter), осуществляющий электрическую развязку и получение требуемого уровня постоянного выходного напряжения, к которому подключена нагрузка со своей схемой управления.The closest in technical essence to the proposed device is the power factor corrector given in the book [Robert W. Erickson Fundamentals of Power Electronics p. 603 FIG. 17.11], in which a power factor corrector is connected to the AC voltage source through a rectifier bridge, which includes a boost regulator (Boost Converter) with its own control circuit, to the output of which a DC-DC Converter is connected, providing electrical isolation and obtaining the required level of constant output voltage, to which the load with its control circuit is connected.

Недостатками этого корректора коэффициента мощности являются использование двух каскадов преобразования электрической энергии, включающих в себя повышающий регулятор (Boost Converter) и преобразователь постоянного напряжения в постоянное (DC-DC Converter), осуществляющий электрическую развязку и получение требуемого уровня постоянного выходного напряжения, а также необходимость использования двух устройств управления повышающим регулятором (Boost Converter) и преобразователем постоянного напряжения в постоянное (DC-DC Converter), что создает сложность управления таким корректором коэффициента мощности.The disadvantages of this power factor corrector are the use of two stages for converting electrical energy, including a boost regulator (Boost Converter) and a DC-to-DC Converter (DC-DC Converter), which performs electrical isolation and obtains the required level of DC output voltage, as well as the need to use two control devices for a boost regulator (Boost Converter) and a DC-DC Converter, which makes it difficult to control such a power factor corrector.

Цель изобретения - формирование постоянного выходного напряжения из переменного входного напряжения с помощью одного преобразователя напряжения, объединяющего в себе функции повышающего регулятора (Boost Converter) и преобразователя постоянного напряжения в постоянное (DC-DC Converter), осуществляющего электрическую развязку и получение требуемого уровня постоянного выходного напряжения, обеспечение синфазности тока с переменным напряжением, упрощение цепи управления преобразователем напряжения, улучшение показателей корректора коэффициента мощности.The purpose of the invention is to generate a constant output voltage from an alternating input voltage using a single voltage converter that combines the functions of a boost regulator (Boost Converter) and a DC-to-DC Converter (DC-DC Converter), which performs electrical isolation and obtains the required level of constant output voltage , ensuring the current is in phase with alternating voltage, simplifying the control circuit of the voltage converter, improving the performance of the power factor corrector.

Поставленная цель достигается тем, что вместо повышающего регулятора (Boost Converter) к выходным зажимам выпрямительного моста, подключается первичная обмотка трансформатора с последовательно включенным регулирующим ключом, вторичные обмотки которого через выпрямительные диоды подключены к емкостным фильтрам и нагрузке, а управляющий электрод регулирующего ключа подключен к устройству управления.This goal is achieved by the fact that instead of a boost regulator (Boost Converter), the primary winding of a transformer with a series-connected regulating switch is connected to the output terminals of the rectifier bridge, the secondary windings of which are connected through rectifier diodes to capacitive filters and the load, and the control electrode of the regulating key is connected to the device management.

На фиг. 1, 2, 3 и 4 показаны принципиальные электрические схемы вариантов выполнения предлагаемого корректора коэффициента мощности. На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема корректора коэффициента мощности; на фиг. 2 представлена принципиальная электрическая схема корректора коэффициента мощности с введением дополнительной линейной индуктивности последовательно с одной из вторичных обмоток трансформатора; на фиг. 3 представлена принципиальная электрическая схема корректора коэффициента мощности с введением дополнительной линейной индуктивности, включенной параллельно одной из обмоток трансформатора, например, вторичной обмотке; на фиг. 4 представлена принципиальная электрическая схема корректора коэффициента мощности с введением дополнительного многозвенного фильтра.In fig. 1, 2, 3 and 4 show schematic electrical diagrams of embodiments of the proposed power factor corrector. In fig. 1 shows a schematic diagram of the power factor corrector; in fig. Figure 2 shows a schematic electrical diagram of a power factor corrector with the introduction of additional linear inductance in series with one of the secondary windings of the transformer; in fig. 3 shows a schematic electrical diagram of a power factor corrector with the introduction of an additional linear inductance connected in parallel with one of the windings of the transformer, for example, the secondary winding; in fig. Figure 4 shows a schematic electrical diagram of a power factor corrector with the introduction of an additional multi-section filter.

В нем (фиг. 1) начало первичной обмотки 1 силового трансформатора 3 соединено с положительным полюсом выпрямительного моста, второй полюс которого через регулирующий ключ 2 подключен к отрицательному полюсу выпрямительного моста. С началом вторичной обмотки 4 силового трансформатора 3 соединен анод выпрямительного диода 5, катод которого подключен к одному из выводов конденсатора 6. Второй вывод конденсатора 6 подключен к концу обмотки 4. Конец обмотки 4 подключен к одному из выводов конденсатора 7, второй вывод которого подключен к аноду выпрямительного диода 8, катод которого подключен к началу обмотки 9, конец которой подключен к концу обмотки 4. Параллельно последовательно включенным конденсаторам 6 и 7 включена нагрузка 10. Управляющий электрод регулирующего ключа 2, подключен к широтно-импульсному контроллеру 11.In it (Fig. 1), the beginning of the primary winding 1 of the power transformer 3 is connected to the positive pole of the rectifier bridge, the second pole of which is connected to the negative pole of the rectifier bridge through the regulating key 2. Connected to the beginning of the secondary winding 4 of the power transformer 3 is the anode of the rectifying diode 5, the cathode of which is connected to one of the terminals of the capacitor 6. The second terminal of the capacitor 6 is connected to the end of the winding 4. The end of the winding 4 is connected to one of the terminals of the capacitor 7, the second terminal of which is connected to the anode of the rectifying diode 8, the cathode of which is connected to the beginning of winding 9, the end of which is connected to the end of winding 4. A load 10 is connected in parallel to the series-connected capacitors 6 and 7. The control electrode of the regulating key 2 is connected to the pulse-width controller 11.

На фиг. 2 последовательно с началом вторичной обмотки 4 включена линейная индуктивность 12.In fig. 2, linear inductance 12 is connected in series with the beginning of the secondary winding 4.

На фиг. 3 параллельно вторичной обмотке 4 силового трансформатора 3 подключена дополнительно введенная линейная индуктивность 13.In fig. 3, an additionally introduced linear inductance 13 is connected in parallel to the secondary winding 4 of the power transformer 3.

На фиг. 4 параллельно последовательно включенным конденсаторам 6 и 7 включен дополнительно введенный фильтр, составленный из последовательно соединенных Г-образного LC-фильтра 14, параллельного резонансного контура 15, число которых может быть и больше одного и конденсатора 16, параллельно которому включена нагрузка 10.In fig. 4, in parallel with the series-connected capacitors 6 and 7, an additionally introduced filter is included, consisting of a series-connected L-shaped LC filter 14, a parallel resonant circuit 15, the number of which can be more than one, and a capacitor 16, in parallel with which the load 10 is connected.

Принцип действия предлагаемого корректора коэффициента мощности рассмотрим исходя из предположения идеальности ключевых элементов, установившегося режима работы и непрерывности изменения магнитного потока в сердечнике трансформатора 3. Обозначим через D относительную к периоду T длительность включенного состояния ключа 2.Let us consider the principle of operation of the proposed power factor corrector based on the assumption of the ideality of the key elements, the steady state of operation and the continuity of change in the magnetic flux in the core of transformer 3. Let us denote by D the duration of the on state of switch 2 relative to period T.

Допустим, что в момент рассмотрения работы корректора коэффициента мощности от источника переменного напряжения поступает положительная полуволна синусоидального напряжения, которая выпрямляется выпрямительным мостом. В этом случае на этапе замкнутого состояния DT ключа 2 протекают одновременно два процесса, один из которых связан с накоплением энергии в индуктивности намагничивания трансформатора 3, включенного последовательно с ключом 2 и источником выпрямленного переменного напряжения, а второй процесс связан с прямой передачей энергии в нагрузку через прямосмещенный выпрямительный диод 5 и вторичную обмотку 4.Let us assume that at the moment of considering the operation of the power factor corrector, a positive half-wave of sinusoidal voltage arrives from an alternating voltage source, which is rectified by a rectifier bridge. In this case, at the stage of the closed state DT of switch 2, two processes occur simultaneously, one of which is associated with the accumulation of energy in the magnetizing inductance of transformer 3, connected in series with switch 2 and a source of rectified alternating voltage, and the second process is associated with the direct transfer of energy to the load through forward biased rectifier diode 5 and secondary winding 4.

Величина тока через выпрямительный диод 7 определяется балансом зарядов конденсатора 6 на интервалах времени DT и (1-D)T, т.е. на интервалах времени включенного и выключенного состояния ключа 2.The magnitude of the current through the rectifier diode 7 is determined by the balance of charges of the capacitor 6 at the time intervals DT and (1-D)T , i.e. at time intervals of switched on and off states of key 2.

После выключения ключа 2 на интервале времени (1-D)T напряжение на обмотках трансформатора 3 изменяет знак. Вследствие этого выпрямительный диод 5 закрывается, а диод 8 открывается и накопленная энергия на интервале времени DT в индуктивности намагничивания силового трансформатора 3 выводится через вторичную обмотку 9 трансформатора 3 в конденсатор 7, что приводит к восстановлению трансформатора 3.After turning off key 2 during the time interval (1-D)T, the voltage on the windings of transformer 3 changes sign. As a result, the rectifying diode 5 closes, and the diode 8 opens, and the accumulated energy during the time interval DT in the magnetizing inductance of the power transformer 3 is output through the secondary winding 9 of the transformer 3 into the capacitor 7, which leads to the restoration of the transformer 3.

Разделение функций вторичных обмоток трансформатора 3, действующих на интервалах времени DT и (1-D)T, позволяет более эффективно управлять электромагнитными процессами преобразователя напряжения.Separation of the functions of the secondary windings of transformer 3, operating at time intervals DT and (1-D)T, allows more efficient control of the electromagnetic processes of the voltage converter.

При изменении полярности источника входного напряжения все описанные выше процессы повторяются.When the polarity of the input voltage source changes, all the processes described above are repeated.

Сумма напряжений на конденсаторах 6 и 7 является выходным напряжением на нагрузке 10.The sum of the voltages on capacitors 6 and 7 is the output voltage on load 10.

Введение дополнительной линейной индуктивности 12 последовательно с вторичной обмоткой 4 трансформатора 3 (фиг. 2) позволяет эффективно ограничить максимальный ток через диод 7 и обеспечить включение регулирующего ключа 2 на нулевое значение тока.The introduction of an additional linear inductance 12 in series with the secondary winding 4 of the transformer 3 (Fig. 2) makes it possible to effectively limit the maximum current through the diode 7 and ensure that the control switch 2 is turned on to zero current value.

Введение дополнительной линейной индуктивности 13, включенной параллельно вторичной обмотке 4 силового трансформатора 3 (фиг. 3) позволяет ослабить жесткую связь индуктивности намагничивания силового трансформатора 3 с числом его витков, геометрией и зазором.The introduction of an additional linear inductance 13 connected in parallel with the secondary winding 4 of the power transformer 3 (Fig. 3) makes it possible to weaken the rigid connection of the magnetizing inductance of the power transformer 3 with the number of its turns, geometry and gap.

Низкочастотный источник переменного входного напряжения вносит дополнительные низкочастотные пульсации в выходное постоянное напряжение, что нежелательно для ряда нагрузок, например, светодиодных осветительных приборов, что устраняется введением дополнительного многозвенного фильтра (фиг. 4), составленного из Г-образного LC-фильтра 14, одного или нескольких звеньев параллельных резонансных фильтров 15 и емкостного фильтра 16.A low-frequency source of alternating input voltage introduces additional low-frequency ripple into the output direct voltage, which is undesirable for a number of loads, for example, LED lighting devices, which is eliminated by introducing an additional multi-stage filter (Fig. 4), composed of an L-shaped LC filter 14, one or several sections of parallel resonant filters 15 and a capacitive filter 16.

Таким образом, предлагаемый корректор коэффициента мощности позволяет по сравнению с известным устройством осуществить в одном силовом блоке электрическую развязку выходного постоянного напряжения от переменного входного напряжения, обеспечить синфазность тока и переменного входного напряжения, обеспечить включение регулирующего ключа на нулевой ток, ослабить или исключить низкочастотные пульсации в выходном постоянном напряжении и упростить управление корректором коэффициента мощности.Thus, the proposed power factor corrector allows, in comparison with the known device, to electrically decouple the DC output voltage from the AC input voltage in one power unit, ensure that the current and AC input voltage are in phase, ensure that the control switch is turned on to zero current, and weaken or eliminate low-frequency ripples in DC output voltage and simplify control of the power factor corrector.

Claims

1. A power factor corrector containing a choke, the winding of which is connected through a regulating switch to the output terminals of a rectifier bridge, the input of which is connected to a source of input alternating voltage; a circuit consisting of a series-connected capacitor and the primary winding of a transformer is connected in parallel with the regulating key, characterized in that two diodes and two series-connected filter capacitors are introduced, the transformer contains two back-to-back secondary windings connected in series, the first of which is connected in series to the first filter capacitor through the first diode, and the second secondary winding of the transformer is connected through the second diode to the second filter capacitor, the outermost terminals of the circuit are in series connected filter capacitors are connected to opposite poles of the corresponding diodes and are terminals for connecting the load, and a control pulse-width controller is connected to the control electrode of the regulating switch.

2. The power factor corrector according to claim 1, characterized in that an additional linear inductance is introduced, connected in series with the secondary winding of the transformer, operating during the time interval when the control switch is on.

3. The power factor corrector according to claim 1, characterized in that between the extreme terminals of the circuit of series-connected filter capacitors and the terminals for connecting the load, an additional multi-link filter is introduced, made of a series-connected L-shaped LC filter, a parallel resonant circuit consisting of one or more links, and an additional capacitor, in parallel with which the load is connected.