SU1541724A1 - Преобразователь посто нного напр жени в посто нное - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к электротехнике и может быть использовано в качестве бестрансформаторного импульсного источника питани . Цель изобретени  - повышение КПД и снижение массогабаритных показателей. Устройство содержит четырехполюсник 5, включенный между входными 1,2 и выходными 3,4 выводами дл  подключени  соответственно источника посто нного напр жени  к нагрузки. Четырехполюсник 5 состоит из продольных и поперечных ветвей. Перва  продольна  ветвь включает первую группу ключей, первый из которых - управл емый, а остальные - неуправл емые (диоды). Втора  продольна  ветвь состоит из второй группы ключей-диодов. Кажда  поперечна  ветвь включает конденсатор 9, зашунтированный цепью перезар да из диода 10 и дроссел  11. Аноды диодов первой группы объединены и соединены с выходным выводом 3, точкой соединени  дроссел  7 с конденсатором первой поперечной ветви и с анодом диода 13. Анод управл емого ключа этой ветви соединен с входным выводом 1. Катоды диодов второй продольной ветви объединены и подключены к входному выводу 2 и к аноду управл емого разр дного ключа, катод которого соединен с катодом диода 13 и через дроссель 14 - с выходным выводом 4. Между разноименными обкладками конденсаторов смежных поперечных ветвей включен один из диодов третьей группы. Изобретение позвол ет сократить число используемых управл емых ключей при одновременном увеличении передаваемой в нагрузку энергии без увеличени  числа каскадов умножени  напр жени . 7 ил.

Description

Изобретение относитс  к электротехнике и может быть использовано в качестве бестрансформаторного импульсного источника электропитани  различного назначени , в частности дл  зар да накопительного конденсатора .

Цель изобретени  - повышение КПД и снижение массогабаритных показате- .

На фиг.1 и 2 изображены схемы си- лфвой части преобразовател  лосто н- нфго напр жени  дл  зар да накони- т льного конденсатора; на фиг.З - ,, временные диаграммы потребл емого токи i , суммарного тока i дросселей ц4пи.перезар да и суммарного тока 1Э конденсаторов на интервале потребле- н#  энергии, тока 1Ц одного из иден- Tijraiibix дросселей цепи перезар да, тока1 i H нагрузки и напр жени  Uc на од- Hdw из идентичных конденсате на .4 - эквивалентные схемы замещени  преобразовател  на интервале зар да, перезар да, и разр да конденсаторов.

Преобразователь посто нного напр жени  (фиг.1) содержит два входных вывода 1 и 2 дл  подключени  соответ- ст зенно положительной и отрицательной источника посто нного напр же- ни) , два выходных вывода 3 и 4, образующих соответственно отрицательный и°положителъный выходы преобразовател , четырехполюсник 5, состо щий из первой и второй продольных ветвей и |N поперечных ветвей, перва  про- до пьна  ветвь содержит ключи (6-1) - () , первый из которых - управл емый (тиристор), а другие - неуправл емые (диоды), и линейный дроссель 7, втора  продольна  ветвь содержит неуправл емые ключи (8-1) - 8 - - (N-1) (диоды), поперечные ветви содержат конденсаторы (9-1) - (9-N), параллельно обкладкам которых подключены соответственно цепи перезар да, состо щие из последовательно соединенных диода (10-1) - (IO-N) и линейного дроссел  (Н-1) - (П-N), преобразователь также содержит ключи (12- -1) - (12-N) разр дной цепи, последний из которых управл емый (тиристор а остальные неуправл емые (дирды), а также диод 13 и выходной линейный дроссель 14.

Преобразователь (фиг.1) работает следующим образом.

5 0 5

д

5

0

5

0

5

Со схемы управлени  (не показана) на управл ющий электрод тиристора 6-1 поступает запускающий импульс. Тиристор 6-1 и диоды (6-2) - (6-N), (8-1) - 8(N-1)J, (10-1) - (10-N) открываютс  и на интервале 0 - t, (фиг.З) происходит колебательный процесс зар да конденсаторов (9-1) - (9-N) от источника посто нного напр жени  (выводы/ - 1 и 2 ) через линейный дроссель 7 при некотором нарастании тока в дроссел х (11-1) - (H-N) цепей перезар да. Эквивалентна  схема замещени  преобразовател  при этом имеет вид, представленный на Фиг.4 а, где L f - индуктивность линейного дроссел  7;L2 - индуктивность параллельно включенных линейных дросселей (11-1) - (1J-N) цепей перезар да; С/ - суммарна  емкость конденсаторов; Un - напр жение источника питани .

Нарастание суммарного тока дросселей цепи перезар да будет происходить тем медленнее (быстрее), чем больше (меньше) отношение К La/L ,. Чем меньше К, тем к моменту равенства нулю потребл емого тока i1 i, напр жение на конденсаторах (9-1) - (9-N) при высоких добротност х L л - С, контура (0 Ю-20) будет близко к почти удвоенному напр жению источника питани .

В момент t, равенства нулю потребл емого тока 11 тиристор 6-1 и диоды (6-2) - (6-N), (8-1) (N-)j естественным образом отключаютс . С этого момента на интервале t, - t (фиг.З) происходит колебательный процесс перезар да конденсаторов (9-1) - (9-N) через последовательно включенные диод (10-i) - (iO-N), линейный дроссель (11-1) - (11-N) соответственно до противоположного по знаку и равного по номиналу напр жени . При этом эквивалентна  схема замещени  преобразовател  имеет вид, представ- на фиг.4 б. Причем процесс перезар да конденсаторов (9-1) - (9-N) по длительности всегда превышает процесс их зар да, что св зано с обеспечением запаса по индуктивност м К.

В момент ti равенства нулю тока i дроссел  цепи перезар да диод цепи перезар да фиксирует напр жение на конденсаторе, пол рность которого указана на Фиг.1 в скобках. Далее на управл ющий электрод тиристора 12-N цепи разр да поступает запускающий

5

импульс. Тиристор 12-N открываетс  и на интервале t - t3 (Лиг.З) последовательно соединенные конденсаторы (9-1) - (9-N) через выходной дроссель 14 полностью разр жаютс  на ем- костную нагрузку, подключенную к выводам 3 и 4 преобразовател . Эквивалентна  схема замещени  преобразовател  при этом имеет вид, представлен- ный на фиг,4 в. При этом колебательный процесс разр да конденсаторов (9-1) - (9-N) сопровождаетс  возрастанием тока нагрузки з м.

С момента t3 полного разр да по- следовательно включенных конденсаторов (9-1) - (9-N) тиристор 12-N естественным образом отключаетс , так как ток нагрузки i ч теперь будет замыкатьс  через открытый диод 13, ми- ну  тиристор 12-N, а к его силовым выводам будет приложено нулевое напр жение . На интервале tэ - t (фиг.З) ток нагрузки 1К будет поддерживатьс  за счет энергии, накопленной в выходном дросселе 14, и будет сопровождатьс  характерным спадом, который зависит от индуктивности дроссел  14, емкости накопительного конденсатора и напр жени  на нем. При этом эквивалентна  схема замещени  преобразовател  представлена на фиг.4 г.

J

Момент очередного включени  тирис-

тора 6-1 осуществл етс  в промежутке времени между t и tq. с учетом времени восстановлени  tg провод щих свойств полупроводниковых приборов разр дной цепи, а также с учетом вре- мени tn полного разр да конденсаторов (9-1) - (9-N) при максимально возможном напр жении на нагрузке. При этом процессы, происход щие в цеп х зар - ца и перезар да конденсаторов (9-1) - (9-N), не оказывают вли ние на ток нагрузки Јн, так как тиристор 12-N выключен. Далее процессы в схеме преобразовател  будут аналогичным образом повтор тьс  до тех пор, пока на- пр жение на накопительном конденсаторе не будет практически, равно напр жению на последовательно соединенных конденсаторах (9-1) - (9-N) к моменту их очередного разр да. Таким обра- зом, напр жение на накопительном конденсаторе к концу зар дного цикла будет практически находитьс  в пределах от NUn до 2NUn, где U п напр жение

246

источника питани ; N - число каскадов умножени .

Схема управлени  тиристорами может быть выполнена, например, по типу ждущего блокинг-генератора, причем период следовани  запускающих импульсов тиристора зар дной цепи сдвинут относительно периода следовани  запускающих импульсов тиристора разр дной цепи на фиксированное врем  t. Данный временной сдвиг обеспечиваетс  путем соответствующего Нормировани  входных запускающих импульсов блокинг-генераторов. Входные импульсы блокинг-генераторов могут быть получены , например, путем сдвига частоты задающего генератора, выполненного , например, по интегральным схемам с помощью распределителей импульсов или сдвигающих устройств, выполненных , например, на тиристорах, транзисторах или триггерах.

Одним из,путей повышени  выходной среднеэар дной мощности преобразовател   вл етс  снижение времени зар да , перезар да и разр да конденсаторов . Собственна  частота копебатель- ного контура перезар да конденсаторов зависит от собственной частоты колебательного зар дного контура и отношени  К индуктивноетей этих контуров. Поэтому при больших суммарных емкост х конденсаторов максимальна  собственна  частота зар дного контура ограничена минимально достижимой индуктивностью этого контура. Таким образом , с целью повышени  уровн  выходной среднезар дной мощности преобразовател  за счет повышени  собственной частоты колебательного зар дного контура, в зар дный контур каждого конденсатора может быть введен линейный дроссель (7-1) - (7-N). В этом случае максимальна  частота идентичных колебательных зар дных контуров будет ограничена уже минимально достижимой индуктивностью этого контура и емкостью лишь одного конденсатора. Преобразователь (Лиг.2) при этом работает аналогичным образом. Таким образом , за счет организации колеба- тельного процесса зар да, перезар да и разр да конденсаторов рассматривае - мый преобразователь позвол ет существенно повысить КПД.

В предлагаемом преобразователе колебательный процесс зар да параллельно включенных друг относительно друга

конденсаторов осуществл етс  от источника питани  через общий дл  всех или каждый через свой линейный дроссель . Это позвол ет в первой группе силовых ключей использовать только один управл емый ключ (тиристор), который осуществл ет отсечку одной из обкладок конденсаторов от положитель- вывода источника питани . Все остальные силовые ключи первой груп- п(1 неуправл емые (диоды) и служат д|ш предотвращени  закорачивани  кон- д нсаторов в процессе их последующего перезар да и разр да, а также предот- вращени  взаимного вли ни  каскадов друг на друга. Таким образом, происходит снижение массы преобразовател  за счет исключени  схем управлени  к N(-1 силовым ключам первой группы.

Перезар д конденсаторов приводит к тому, что в качестве силовых клю- ч(ей второй и третьей группы используют неуправл емые ключи (диоды), причем по сравнению с известным предла- гаемый преобразователь содержит на о|цин ключ второй группы меньше. Это позвол ет существенно снизить массу преобразовател  за счет исключени  схем управлени  к силовым ключам вто- рэй и третьей групп.

Кроме того, в предлагаемом преобразователе нет необходимости использовать управл емый ключ, осуществл ющий отсечку отрицательного выхода че- тырехполюсника и преобразовател .

Необходимо отметить, что по сравнению с известным предлагаемый преобразователь при одинаковом числе каскадов умножени  позвол ет передавать большую энергию, так как его конденсаторы зар жаютс  и перезар жаютс  не др напр жени  источника питани , а практически до вдвое большего. Поэтому при передаче эквивалентной дозы энергии и сохранении одного и того же уровн  выходного напр жени  дп  предлагаемого преобразовател  при определенном соотношении параметров элементов схемы по сравнению с известным потребуетс  максимум в два раза меньше каскадов умножени , что также позвол ет существенно уменьшить массу преоб ра зовател .

В преобразователе с большим уров- нем передаваемой мощности (при больших емкост х конденсаторов каскадов и относительно малых временах зар да) индуктивности колебательного контура

зар да, перезар да и разр да незначительны по массе. Поэтому в предлагаемом преобразователе суммарна  масса линейных дросселей, введенных в контуре зар да, перезар да и разр да конденсаторов, а также дополнительных диодов в цеп х перезар да и шунтирующего диода разр дной цепи существенно меньше той массы, снижение которой по сравнению с известным обеспечивает исключение двух управл емых ключей, схем управлени  к N-1 силовым ключам первой, второй и третьей группы, а также необходимого количества ключей и конденсаторов при каскадном умножении напр жени .

fi

ормула изобретени 

Преобразователь посто нного напр жени  в посто нное, содержащий два входных и два выходных вывода дл  подключени , соответственно, источника посто нного напр жени  и нагрузки, четырехполюсник, состо щий из N поперечных ветвей, первой и второй продольных ветвей, кажда  из которых включает полупроводниковые ключи, образующие первую и вторую группы, причем аноды ключей, кроме управл емого первого, первой группы объединены в общую точку, анод первого ключа этой группы  вл етс  первым входом четырехполюсника и соединен с входным выводом дл  подключени  положительного полюса источника питани , катоды ключей второй группы объединены в общую точку, соединенную с входным выводом дл  подключени  отрицательного полюса источника питани , кажда  из попет речных ветвей включает конденсатор, одна обкладка которого, кроме конденсатора первой ветви, соединена с катодом соответствующего ключа первой продольной ветви, а друга  обкладка, кроме конденсатора последней поперечной ветви, соединена с анодом соответствующего ключа второй продольной ветви, а также N-1 полупроводниковых , ключей третьей группы, каждый из которых включен между разноименными обкладками соответствующих конденсаторов предыдущей и последующей попереч- Нойс ветвей, а к одному из выходов четырехполюсника подключен анодом уп- равл еьый полупроводниковый ключ разр дной цепи, отличающийс  тем, что, с целью повышени  КПД и , I

915

снижени  массогабаритных показателей, катод первого полупроводникового ключа первой группы соединен со свободным выводом обкладки конденсатора первой поперечной ветви через дополнительно введенный линейный дроссель, к точке соединени  которого с конденсатором указанной ветви подключена обща  точка соединени  ключей первой группы, выполненных неуправл емыми, образующа  первый выход четырехполюсника , соединенный с первым выходным выводом, свободный вывод обкладки конденсатора последней поперечной ветви образует второй выход четырехполюсника и подключен к общей точке соединени  ключей второй группы, вы4Ю

полкенных неуправл емыми, и аноду ключа разр дной цепи, катод которого подключен к общей точке соединени  катода дополнительно введенного диода с дополнительно введенным выходным линейным дросселем, свободный вывод которого подключен к второму выходному выводу, а анод дополнительного

диода соединен с первым выходным выводом , причем параллельно конденсатору каждой поперечной ветви включена дополнительно введенна  цепь перезар да , состо ща  из последовательно

соединенных перезар дных линейного дроссел  и диоДа, анод которого соединен с первым выходным выводом.

06-1 7

8-1 Н

10-1

11-1

-(4

9-1 / tt-ffhi}

- /i t

V Т

«иI-

8-JIH)

Фиг.1

ь

/O- v V v

Un

/I

H -L

Kb T

to

ФинЗ

Сн

Claims (1)

1. Формула изобретения

   Преобразователь постоянного напряжения в постоянное, содержащий два входных и два выходных вывода для подключения, соответственно, источника постоянного напряжения и нагрузки, четырехполюсник, состоящий из N поперечных ветвей, первой и второй продольных ветвей, каждая из которых включает полупроводниковые ключи, образующие первую и вторую группы, причем аноды ключей, кроме управляемого первого, первой группы объединены в общую точку, анод первого ключа этой группы является первым входом четырехполюсника и соединен с входным выводом для подключения положительного полюса источника питания, катоды ключей второй группы объединены в общую точку, соединенную с входным выводом для подключения отрицательного полюса источника питания, каждая из попет речных ветвей включает конденсатор, одна обкладка которого, кроме конденсатора первой ветви, соединена с катодом соответствующего ключа первой продольной ветви, а другая обкладка, кроме конденсатора последней попереч- . ной ветви, соединена с анодом соответствующего ключа второй продольной ветви, а также Ν-1 полупроводниковых , ключей третьей группы, каждый из которых включен между разноименными обкладками соответствующих конденсаторов предыдущей и последующей поперечник ветвей, а к одному из выходов четырехполюсника подключен анодом управляемый полупроводниковый ключ разрядной цепи, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД и Г

   1 5417 24 снижения массогабаритных показателей, катод первого полупроводникового ключа первой группы соединен со свободным выводом обкладки конденсатора первой поперечной ветви через дополнительно введенный линейный дроссель, к точке соединения которого с конденсатором указанной ветви подключена общая точка соединения ключей первой группы, выполненных неуправляемыми, образующая первый выход четырехполюсника, соединенный с первым выходным выводом, свободный вывод обкладки конденсатора последней поперечной ветви образует второй выход четырехполюсника и подключен к общей точке соединения ключей второй группы, вы10 полненных неуправляемыми, и аноду ключа разрядной цепи, катод которого подключен к общей точке соединения катода дополнительно введенного диода с дополнительно введенным выходным линейным дросселем, свободный вывод которого подключен к второму выходному выводу, а анод дополнительного IQ диода соединен с первым выходным выводом, причем параллельно конденсатору каждой поперечной ветви включена дополнительно введенная цепь перезаряда, состоящая из последовательно ,5 соединенных перезарядных линейного дросселя и диоДа, анод которого соединен с первым выходным выводом.

   Фиг.1

   1541724 '