регулируемый понижающий преобразователь постоянного напряжения

Формула изобретения

Регулируемый понижающий преобразователь постоянного напряжения, содержащий входной, выходной и общий выводы для подключения соответственно источника постоянного напряжения и нагрузки, n подключенных своими первыми выводами к общему выводу преобразователя цепочек, каждая из которых состоит из последовательно соединенных разрядного диода, конденсатора и управляемого разрядного ключа, (n-1) зарядных диодов, каждый из которых включен между разноименными выводами конденсаторов соответствующих смежных цепочек, управляемый зарядный ключ, включенный между входным выводом и зарядной шиной, управляемые регулирующие элементы, каждый из которых включен параллельно разрядному диоду соответствующей цепочки и две группы коммутирующих элементов, причем каждый коммутирующий элемент первой группы включен параллельно разрядному ключу соответствующей цепочки, а каждый коммутирующий элемент второй группы включен между зарядной шиной и общей точкой соединения конденсатора и разрядного ключа соответствующей цепочки, отличающийся тем, что в него введены n дополнительных групп из m коммутирующих элементов и (m-1) выходных выводов для подключения дополнительных нагрузок, причем в каждой группе первые выводы коммутирующих элементов соединены друг с другом и вторым выводом соответствующей цепочки, а их вторые выводы соединены с соответствующими выходными выводами преобразователя.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано в источниках и системах вторичного питания.

Известен регулируемый понижающий преобразователь постоянного напряжения, содержащий n цепочек, каждая из которых состоит из последовательно соединенных разрядного ключа, конденсатора и разрядного диода, (n-1) из которых соединены параллельно и подключены к выходным выводам, (n-1) зарядного диода, включенных между разноименными выводами конденсаторов смежных цепочек, а также зарядный ключ, включенный между конденсатором первой цепочки и входным выводом и регулирующий транзистор, включенный между разрядным диодом последней цепочки и выходным выводом преобразователя (а.с. № 987758, СССР, Н 02 М 3/335).

Данный преобразователь обладает широким диапазоном регулирования выходного напряжения. Однако его коэффициент полезного действия сравнительно невысок, вследствие потерь мощности на активном сопротивлении регулирующего транзистора. Другим недостатком указанного преобразователя является его способность работать только на одну нагрузку.

Кроме того, известен регулируемый понижающий преобразователь постоянного напряжения, являющийся прототипом предлагаемого изобретения и содержащий входной, выходной и общий выводы для подключения соответственно источника постоянного напряжения и нагрузки, n подключенных своим первым выводом к общему выводу преобразователя цепочек, каждая из которых состоит из последовательно соединенных разрядного диода, конденсатора и разрядного ключа, (n-1) зарядных диодов, каждый из которых включен между разноименными выводами конденсаторов соответствующих смежных цепочек, управляемый зарядный ключ, включенный между входным выводом и зарядной шиной, управляемые регулирующие элементы, каждый из которых включен параллельно разрядному диоду соответствующей цепочки и две группы коммутирующих элементов, причем каждый коммутирующий элемент первой группы включен параллельно разрядному ключу соответствующей цепочки, а каждый коммутирующий элемент второй группы включен между зарядной шиной и общей точкой соединения конденсатора и разрядного ключа соответствующей цепочки.

Однако указанное устройство способно работать только на одну нагрузку, что существенно снижает его функциональные возможности.

Устранение этого недостатка путем применения отдельного преобразователя на каждую из нагрузок приводит к значительному ухудшению массогабаритных показателей.

Задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей преобразователя благодаря обеспечению его работы на несколько нагрузок с различными выходными напряжениями и при этом улучшение его массогабаритных показателей.

Поставленная задача достигается тем, что в регулируемый понижающий преобразователь, содержащий входной, выходной и общий выводы для подключения соответственно источника постоянного напряжения и нагрузки, n подключенных своим первым выводом к общему выводу преобразователя цепочек, каждая из которых состоит из последовательно соединенных разрядного диода, конденсатора и управляемого разрядного ключа, (n-1) зарядных диодов, каждый из которых включен между разноименными выводами конденсаторов соответствующих смежных цепочек, управляемый зарядный ключ, включенный между входным выводом и зарядной шиной, управляемые регулирующие элементы, каждый из которых включен параллельно разрядному диоду соответствующей цепочки и две группы коммутирующих элементов, причем каждый коммутирующий элемент первой группы включен параллельно разрядному ключу соответствующей цепочки, каждый коммутирующий элемент второй группы включен между зарядной шиной и общей точкой соединения конденсатора и разрядного ключа соответствующей цепочки, введены n дополнительных групп из m коммутирующих элементов и (m-1) выходных выводов для подключения дополнительных нагрузок, причем в каждой группе первые выводы коммутирующих элементов соединены друг с другом и вторым выводом соответствующей цепочки, а их вторые выводы соединены с соответствующими выходными выводами преобразователя.

На чертеже приведена структурная схема предлагаемого устройства. Предлагаемое устройство содержит n цепочек, состоящих из последовательно соединенных разрядного диода 1, конденсатора 2 и разрядного ключа 3. Отрицательный вывод конденсатора 2 предыдущей цепочки через зарядный диод 4 соединен с положительным выводом конденсатора 2 последующей цепочки. Зарядный ключ 5 соединяет положительный входной вывод с положительной зарядной шиной 6. Параллельно разрядным диодам и управляемым разрядным ключам 3 цепочек подключены соответственно управляемые регулирующие элементы 7-11 и коммутирующие элементы 12-17. Коммутирующие элементы 18-23 соединяют зарядную шину 6 с положительным выводом 24 конденсатора 2 каждой цепочки. Цепочки подсоединены параллельно между общим выводом преобразователя 25 и выходным выводами 26 и 27 через группы коммутирующих элементов (28, 29), (30, 31), (32, 33), (34, 35), (36, 37), (38, 39).

Преобразователь, имеющий две нагрузки, работает следующим образом. В исходном состоянии часть цепочек работает на первую нагрузку, подключенную к выводам (25, 26), а другая часть на вторую нагрузку, подключенную к выводам (25, 27). При этом благодаря определенному порядку коммутации элементов (7-23), (28-39) и периодической коммутации зарядного ключа 5 и разрядных ключей 3, работающих без перекрытия, осуществляется подзаряд k1 и k2 (целые числа) однотипных преобразователей, состоящих каждый соответственно из n1 и n2, последовательно соединенных конденсаторов, от первичного источника постоянного напряжения и их параллельный разряд на соответствующие нагрузки, обеспечивая на них различные уровни выходных напряжений Uвх/n1 и Uвх/n2. Увеличение k1 и k2 позволяет пропорционально увеличивать выходные токи нагрузок либо уменьшать их коэффициенты пульсации. Таким образом, процесс регулирования в преобразователе осуществляется изменением n1, n2 и k1, k2 путем управления коммутацией элементов (7-23) и (28-39). При этом особенность преобразователя заключается в том, что благодаря коммутации указанных элементов, цепочки могут отключаться от слаботочной нагрузки и подключаться к нагрузке, ток в которой увеличился и наоборот. Это позволяет более полно использовать установленную емкость силовой цепи преобразователя и, следовательно, улучшить его массогабаритные показатели. Выражение, связывающее k1, n1 и k2, n2 с общим числом цепочек преобразователя n имеет вид (k1n1+k2n2) n.

Рассмотрим работу преобразователя при n1=2 и n2=3 и общем числе цепочек n=6. В данном случае возможны различные значения k1 и k2. Например, состояние k1=1, k2=1 имеет 3 варианта реализации, которые достигаются соответственно открыванием следующих групп коммутирующих элементов (18, 8, 28, 30; 20, 11, 33, 35, 37), 19, 9, 30, 32; 21, 35, 37, 39) и (18, 8, 28, 30; 21, 35, 37, 39). При этом напряжение на первой нагрузке, подключенной к выводам (25, 26), будет равно Uвх/2, а на второй нагрузке, подключенной к выводам (25, 27) Uвх/3.

Далее возможны состояния преобразователя, при которых на отдельных интервалах времени все цепочки перегруппировываются и работают на каждую из нагрузок по отдельности, т.е. k1=3, k2=0 и k1=0, k2=2. Эти состояния достигаются открыванием соответственно следующих групп коммутирующих элементов (18, 8, 28, 30), (20, 10, 32, 34), (22, 36, 38) и (18, 9, 29, 31, 33), (21, 35, 37, 39).

При работе преобразователя возможны состояния, при которых часть цепочек отключены от обеих нагрузок. Например, один из вариантов реализации состояния k1=2, k2=0 осуществляется коммутацией элементов (18, 8, 28, 30) и (20, 10, 32, 34). В данном случае не задействованными оказались две последние цепочки. Однако коммутацией элементов (11, 16, 36) и (17, 38) конденсаторы этих цепочек подключаются параллельно выходным выводам (25, 26), уменьшая тем самым коэффициент пульсации напряжения на первой нагрузке.

Введение в схему преобразователя коммутирующих элементов (28-39) не только обеспечивает его работу на нагрузки с разными уровнями напряжений, но и дает возможность перегруппировки цепочек с одной нагрузки на другую при изменении их токов. Последнее обстоятельство позволяет существенно улучшить массогабаритные показатели преобразователя за счет более полного использования его установленной емкости. Так, например, для обеспечения рассмотренных выше состояний k1=3, n1=2 и k2=2, n2=3 с помощью двух отдельных преобразователей потребуется k1 n1+k2 n2=12 конденсаторно диодных цепочек, а в случае противофазно изменяющихся токов нагрузок, благодаря перегруппировке всех цепочек с одной нагрузки на другую, предлагаемый преобразователь содержит всего лишь k1 n1=k2 n2=6 конденсаторно диодных цепочек.

Таким образом, предлагаемый преобразователь не только способен работать на несколько нагрузок, но и в условиях изменения их токов, имеет значительно лучшие массогабаритные показатели за счет сокращения числа цепочек и, связанного с ним уменьшения суммарной емкости, а также количества применяемых ключей и диодов.