RU2823796C1

RU2823796C1 - Transformer flyback constant voltage converter with passive clamping

Info

Publication number: RU2823796C1
Application number: RU2024104183A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Григорьевич Поликарпов; Владимир Анатольевич Поликарпов
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Инпут Трансформейшн Аутпут Корпорейшн"
Filing date: 2024-02-20
Publication date: 2024-07-30

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: transformer flyback constant voltage converter with passive clamping relates to electrical engineering and can be used in secondary power supply systems for conversion, regulation and stabilization of constant output voltage, galvanically separated from input constant voltage. Device comprises transformer 2, the beginning of primary winding 1 of which is connected to the positive pole of the input constant voltage source, and the end of primary winding 1 through the power control key 3 is connected to the negative pole of the input constant voltage source, which forms a common bus. Parallel to primary winding 1 of transformer 2 there is a passive clamping element made up of series-connected diode 5 and capacitor 4 with parallel connected resistor 6. With the end of secondary winding 7 of transformer 2, the cathode of rectifying diode 8 is connected, the anode of which is connected through linear inductance 9 to the beginning of secondary winding 7, and to the common point of connection of diode 8 and linear inductance 9 the anode of diode 10 is connected, the cathode of which is connected to one of the outputs of capacitor 11, the second output of which is connected to the beginning of winding 7. Load 12 is connected in parallel to capacitor 11.

EFFECT: generation of constant output voltage from constant input voltage, elimination of gap from transformer, provision of partially symmetrical reversal magnetization of transformer core.

1 cl, 1 dwg

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.The invention relates to electrical engineering, in particular to DC to DC voltage converters, and can be used in secondary power supply systems for converting, regulating and stabilizing a DC output voltage galvanically separated from an input DC voltage.

Известны обратноходовые преобразователи постоянного напряжения [1].Flyback DC-DC converters are known [1].

Недостатками известного обратноходового преобразователя постоянного напряжения являются наличие индуктивности рассеяния первичной обмотки, что создает всплески напряжения на силовом ключе при его выключении и может привести к разрушению силового ключа, а также наличие большого зазора, что приводит к увеличению размера трансформатора, дополнительным потерям и работе трансформатора по частному циклу перемагничивания сердечника трансформатора.The disadvantages of the known flyback DC/DC converter are the presence of leakage inductance of the primary winding, which creates voltage surges on the power key when it is turned off and can lead to the destruction of the power key, as well as the presence of a large gap, which leads to an increase in the size of the transformer, additional losses and the operation of the transformer on a private cycle of remagnetization of the transformer core.

Наиболее близок по технической сущности к предлагаемому устройству обратноходовой преобразователь постоянного напряжения приведенный в [1], содержащий первичную обмотку трансформатора, подключённую через силовой регулирующий ключ к зажимам входного источника постоянного напряжения, трансформатор, осуществляющий электрическую развязку и получение требуемого уровня постоянного выходного напряжения, вторичную обмотку, подключенную через выпрямительный диод ко входу C-фильтра, к выходу которого подключена нагрузка.The closest in technical essence to the proposed device is the flyback DC voltage converter given in [1], which contains the primary winding of a transformer connected via a power control key to the terminals of an input DC voltage source, a transformer that provides electrical isolation and obtains the required level of DC output voltage, a secondary winding connected via a rectifier diode to the input of a C-filter, to the output of which a load is connected.

Цель изобретения - устранение указанных недостатков.The purpose of the invention is to eliminate the above-mentioned disadvantages.

Поставленная цель достигается тем, что в трансформаторном обратноходовом преобразователе постоянного напряжения с пассивным клампированием, первичная обмотка трансформатора которого через силовой регулирующий ключ подключена к зажимам входного источника постоянного напряжения, параллельно которой включен клампирующий элемент, вторичная обмотка трансформатора через выпрямительный диод подключена к линейной индуктивности, а через второй выпрямительный диод подключена к конденсатору фильтра, параллельно которому включена нагрузка.The stated goal is achieved by the fact that in a transformer flyback DC voltage converter with passive clamping, the primary winding of the transformer of which is connected via a power control key to the terminals of the input DC voltage source, in parallel to which a clamping element is connected, the secondary winding of the transformer is connected via a rectifier diode to a linear inductance, and via a second rectifier diode is connected to a filter capacitor, in parallel to which a load is connected.

На фиг.1 показана принципиальная электрическая схема выполнения предлагаемого трансформаторного обратноходового преобразователя постоянного напряжения с пассивным клампированием.Fig. 1 shows the basic electrical circuit diagram of the proposed transformer flyback DC voltage converter with passive clamping.

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, подключен к отрицательному полюсу входного источника постоянного напряжения образующему общую шину. Параллельно первичной обмотке 1 трансформатора 2 включен пассивный клампирующий элемент, составленный из последовательно соединенных диода 5 и конденсатора 4 с параллельно включенным резистором 6.In it (Fig. 1) the beginning of the primary winding 1 of the transformer 2 is connected to the positive pole of the input source of direct voltage, and the end of the primary winding 1 through the power regulating key 3 is connected to the negative pole of the input source of direct voltage forming a common bus. A passive clamping element is connected in parallel to the primary winding 1 of the transformer 2, consisting of a diode 5 and a capacitor 4 connected in series with a resistor 6 connected in parallel.

С концом вторичной обмотки 7 трансформатора 2 соединен катод выпрямительного диода 8, анод которого через линейную индуктивность 9 подключен к началу вторичной обмотки 7, а к общей точке соединения диода 8 и линейной индуктивности 9 подключен анод диода 10, катод которого соединен с одним из выводов конденсатора фильтра 11, второй вывод которого подключен к началу обмотки 7. Параллельно конденсатору фильтра 11 включена нагрузка 12.The cathode of the rectifier diode 8 is connected to the end of the secondary winding 7 of the transformer 2, the anode of which is connected to the beginning of the secondary winding 7 through the linear inductance 9, and the anode of the diode 10 is connected to the common connection point of the diode 8 and the linear inductance 9, the cathode of which is connected to one of the terminals of the filter capacitor 11, the second terminal of which is connected to the beginning of the winding 7. A load 12 is connected in parallel to the filter capacitor 11.

Принцип действия предлагаемого трансформаторного обратноходового преобразователя постоянного напряжения с пассивным клампированием рассмотрим исходя из предположения идеальности ключевых элементов, установившегося режима работы и непрерывности изменения магнитного потока в сердечнике трансформатора 2 и линейной индуктивности 9. 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 через выпрямительной диод 8, находящийся в проводящем состоянии и накопление энергии в линейной индуктивности 9, определяемой обмоткой 7 трансформатора 2.The operating principle of the proposed transformer flyback DC/DC converter with passive clamping will be considered based on the assumption of ideal key elements, steady-state operation mode, and continuous change of magnetic flux in the core of transformer 2 and linear inductance 9. We will designate as D the duration of the on state of switch 3 relative to the period T. In this case, at the stage of the closed state DT of switch 3, energy is transferred through rectifier diode 8, which is in a conducting state, and energy is accumulated in linear inductance 9, determined by winding 7 of transformer 2.

После выключения ключа 3 включается дополнительный диод 5 клампирующего элемента и напряжение на обмотке 1 трансформатора 2 фиксируется на уровне напряжения на конденсаторе 4, равного V _IN D /(1-D). After switching off key 3, additional diode 5 of the clamping element is switched on and the voltage on winding 1 of transformer 2 is fixed at the level of voltage on capacitor 4, equal to V _IN D /(1-D) .

Наличие резистора 6, включенного параллельно конденсатору 4 обеспечивает проводящее состояние диода 5 в течение всего временного интервала (1-D)T выключенного состояния силового регулирующего ключа 3. При этом используемый резистор 6 высокоомный, поскольку магнитопровод трансформатора 2 без зазора и вследствие этого ток намагничивания трансформатора 2 невелик. Высокоомность резистора 6 делает пассивную цепь высокоэффективной поскольку потери мощности в ней незначительны. Из-за отсутствия зазора в сердечнике трансформатора и наличия высокоэффективной клампирующий цепи перемагничивание сердечника трансформатора осуществляется по частично симметричной петле гистерезиса, что позволят уменьшить число витков первичной обмотки трансформатора и сделать трансформатор меньших габаритов.The presence of resistor 6, connected in parallel to capacitor 4, ensures the conducting state of diode 5 during the entire time interval (1-D)T of the off state of power regulating key 3. In this case, the resistor 6 used is high-resistance, since the magnetic circuit of transformer 2 is without a gap and, as a result, the magnetization current of transformer 2 is small. The high resistance of resistor 6 makes the passive circuit highly efficient since the power losses in it are insignificant. Due to the absence of a gap in the transformer core and the presence of a highly efficient clamping circuit, the magnetization reversal of the transformer core is carried out along a partially symmetrical hysteresis loop, which will reduce the number of turns of the primary winding of the transformer and make the transformer smaller in size.

Вследствие переполюсовки напряжений на всех обмотках трансформатора 2 и фиксации напряжения на первичной обмотке 1 выпрямительный диод 8 выключается, а ток линейной индуктивности 9 переключается на включившийся выпрямительный диод 10 и накопленная энергия в линейной индуктивности 9 выводится в нагрузку. В результате этого процесса на конденсаторе фильтра 11 устанавливается выходное напряжение nV _IN D /(1-D), где n - отношение витков обмотки 7 к обмотке 1.Due to the voltage reversal on all windings of transformer 2 and the voltage fixation on primary winding 1, rectifier diode 8 is switched off, and the current of linear inductance 9 is switched to the switched on rectifier diode 10 and the accumulated energy in linear inductance 9 is output to the load. As a result of this process, the output voltage nV _IN D /(1-D) is established on filter capacitor 11, where n is the ratio of turns of winding 7 to winding 1.

На интервале времени выключенного состояния ключа 3, равного (1-D)T, никакой передачи энергии в выходную цепь не осуществляется, а из-за включенного состояния клампирующего элемента идет процесс восстановления магнитных свойств трансформатора 2, что приводит к работе магнитопровода трансформатора по частично симметричной петле намагничивания. Поскольку передача энергии в нагрузку идет из специально введенной линейной индуктивности 9, а не из индуктивности намагничивания трансформатора, как это происходит в обратноходовом преобразователе постоянного напряжения, то никакого зазора в трансформаторе не требуется, так как в данном случае он выполняет функцию только трансформатора, а не накопителя энергии.During the time interval of the switched-off state of switch 3, equal to (1-D)T , no energy is transferred to the output circuit, and due to the switched-on state of the clamping element, the process of restoring the magnetic properties of transformer 2 occurs, which leads to the operation of the transformer magnetic circuit along a partially symmetrical magnetization loop. Since energy is transferred to the load from a specially introduced linear inductance 9, and not from the magnetization inductance of the transformer, as occurs in a flyback DC voltage converter, no gap is required in the transformer, since in this case it performs the function of only a transformer, and not an energy storage device.

Следует заметить, что выпрямительный диод 8 в данном устройстве работает при обратных напряжениях, соизмеримых с напряжением в проводящем состоянии, т.е. доли вольта.It should be noted that the rectifier diode 8 in this device operates at reverse voltages commensurate with the voltage in the conducting state, i.e. fractions of a volt.

Вследствие того, что трансформатор в данном устройстве не выполняет функции накапливающего энергию элемента, а перемагничивание магнитопровода осуществляется по частично симметричной петле гистерезиса, число витков обмоток трансформатора может быть существенно уменьшено, а, следовательно, уменьшен и размер трансформатора, и в тоже время величина накапливающей энергию индуктивности 9 не зависит от числа витков трансформатора как в обратноходовом преобразователе постоянного напряжения и может быть выбрана сколь угодно большой величины.Due to the fact that the transformer in this device does not perform the function of an energy-storing element, and the remagnetization of the magnetic circuit is carried out according to a partially symmetrical hysteresis loop, the number of turns of the transformer windings can be significantly reduced, and, consequently, the size of the transformer is also reduced, and at the same time the value of the energy-storing inductance 9 does not depend on the number of turns of the transformer as in a flyback DC voltage converter and can be chosen to be of an arbitrarily large value.

Наличие пассивного клампирующего элемента исключает появление высоковольтного всплеска на силовом регулирующем ключе 3 при его выключении из-за наличия индуктивности рассеяния первичной обмотки 1 трансформатора 2, к которой подключен силовой регулирующий ключ 3.The presence of a passive clamping element eliminates the occurrence of a high-voltage surge on the power regulating key 3 when it is switched off due to the presence of leakage inductance of the primary winding 1 of the transformer 2, to which the power regulating key 3 is connected.

Таким образом, предлагаемый трансформаторный обратноходовой преобразователь постоянного напряжения с пассивным клампированием по сравнению с известным устройством позволяет формировать постоянное выходное напряжение из постоянного входного напряжения, позволяет исключить зазор в сердечнике трансформатора, обеспечить частичную симметричность перемагничивания магнитопровода трансформатора, уменьшить его размеры, а вследствие наличия клампирующего элемента исключить всплески напряжения на силовом ключе при выключении, которое жестко фиксируется на уровне V _IN /(1-D).Thus, the proposed transformer flyback DC/DC converter with passive clamping, in comparison with the known device, allows generating a constant output voltage from a constant input voltage, eliminates the gap in the transformer core, ensures partial symmetry of the magnetization reversal of the transformer magnetic circuit, reduces its dimensions, and, due to the presence of a clamping element, eliminates voltage surges on the power key when switching off, which is rigidly fixed at the level of V _IN /(1-D) .

1. Поликарпов А.Г., Сергиенко Е.Ф. Однотактные преобразователи в устройствах электропитания РЭА, “Радио и связь”, 1989, стр.47, рис.2.1.1. Polikarpov A.G., Sergienko E.F. Single-stroke converters in power supply devices of electronic equipment, “Radio and Communications”, 1989, p.47, Fig.2.1.

Claims

A transformer flyback DC/DC converter with passive clamping, comprising a transformer having a primary winding connected via a power regulating key to the terminals of a DC input voltage source, a secondary winding with a rectifier diode connected to a capacitive filter with a parallel-connected load, characterized in that a passive clamping element is connected in parallel to the primary winding of the transformer, consisting of a series-connected diode and capacitor with a parallel-connected resistor, two rectifier diodes connected in series with their anodes connected oppositely are connected to the end of the secondary winding of the transformer and the filter capacitor, to the anodes of which a linear inductance is connected with one pole, the second pole of which is connected to the common connection point of the beginning of the secondary winding and the filter capacitor with a parallel-connected load.