способ преобразования постоянного напряжения в постоянное с гальванической развязкой

Формула изобретения

Способ преобразования постоянного напряжения в постоянное с гальванической развязкой, заключающийся в том, что от входного источника питания накапливают энергию в первичной обмотке трансформатора, по окончании процесса накопления энергии током намагничивания заряжают первый конденсатор, по окончании заряда, при обратной полярности напряжения на обмотках трансформатора, накопленную энергию передают в нагрузку и часть энергии во второй конденсатор, который подключают к первичной обмотке в момент равенства напряжения на первичной обмотке и напряжения на втором конденсаторе, а затем передают энергию, полученную вторым конденсатором через трансформатор и выпрямитель в нагрузку, отличающийся тем, что при обратной полярности напряжения на обмотках трансформатора энергией второго конденсатора создают ток намагничивания обратной полярности, сравнивают сигнал, получаемый как разность сигналов, пропорциональных первичному и вторичному токам, с разностью сигналов, пропорциональных входному напряжению и напряжению второго конденсатора, если разность положительна, или с нулем, если разность отрицательна, при их равенстве отключают второй конденсатор и с помощью тока намагничивания обратной полярности разряжают первый конденсатор до изменения знака напряжения первичной обмотки и равенства его входному напряжению, возвращают остаток энергии тока намагничивания обратной полярности во входной источник и повторяют цикл преобразования напряжения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в импульсных источниках питания с гальванической развязкой для преобразования постоянного напряжения в постоянное, а также для построения источников питания от сети переменного тока с коэффициентом мощности, близким к единице, по однокаскадной схеме, с единичной мощностью 500 Вт и более.

Известен способ преобразования энергии, реализованный в источнике питания [1], заключающийся в том, что с помощью первого ключа с параллельной емкостью накапливают энергию в первичной обмотке трансформатора и затем, при разомкнутом первом ключе, передают ее с помощью вторичной обмотки трансформатора, выпрямителя и выходного фильтра в нагрузку, при этом на интервале передачи энергии в нагрузку ограничивают величину напряжения на первичной обмотке с помощью RCD цепи, при этом энергию рассеяния трансформатора выделяют в балластном резисторе этой цепи.

Недостатком указанного способа является низкий КПД, обусловленный потерями энергии рассеяния и динамическими потерями в ключе.

Наиболее близким аналогом является способ преобразования энергии, реализованный в источнике питания [2], при котором, с помощью первого ключа с параллельной емкостью, накапливают энергию в первичной обмотке трансформатора и затем, при разомкнутом первом ключе, передают ее с помощью вторичной обмотки трансформатора, выпрямителя и выходного фильтра в нагрузку, при этом энергию рассеяния первичной обмотки трансформатора передают в конденсатор, который подключают к первичной обмотке с помощью второго ключа, когда напряжение на первичной обмотке станет равным напряжению на конденсаторе, а затем через открытый второй ключ передают обратно через трансформатор в нагрузку. Время включенного состояния второго ключа определяют с помощью дифференцирования напряжения дополнительной обмотки трансформатора.

Недостатком указанного источника питания является то, что высокий КПД преобразователя можно получить при фиксированных значениях входного и выходного напряжения и тока нагрузки, что не позволяет его использовать в режиме корректора коэффициента мощности, где входное напряжение меняется от нуля до амплитуды сети и в источниках с широким диапазоном выходного напряжения. Не удается увеличить емкость конденсатора, включаемого параллельно ключу, для снижения динамических потерь при его выключении и более полного использования его коммутирующей способности. Неоптимальное определение момента выключения второго ключа приводит к увеличению «времени простоя трансформатора», не связанного ни с процессом накопления энергии, ни с ее передачей в нагрузку. Это ухудшает форму тока обмоток трансформатора, увеличивает потери и приводит к недоиспользованию габаритной мощности трансформатора.

Задача, решаемая в предлагаемом способе, заключается в уменьшении потерь на преобразование энергии, а также улучшении удельных массогабаритных показателей преобразователей аналогичного назначения.

Технический результат от применения предлагаемого способа заключается в повышении КПД преобразователя, уменьшении массы и габаритов охладителя для ключей преобразователя, повышении единичной мощности преобразователя за счет более эффективного использования возможностей ключей и трансформатора.

Поставленная задача достигается тем, что предлагается способ преобразования постоянного напряжения в постоянное с гальванической развязкой, заключающийся в том, что от входного источника питания накапливают энергию в первичной обмотке трансформатора, по окончании процесса накопления энергии током намагничивания заряжают первый конденсатор, по окончании заряда, при обратной полярности напряжения на обмотках трансформатора, накопленную энергию передают в нагрузку и часть энергии во второй конденсатор, который подключают к первичной обмотке в момент равенства напряжения на первичной обмотке и напряжения на втором конденсаторе, а затем передают энергию, полученную вторым конденсатором, через трансформатор и выпрямитель в нагрузку.

В предлагаемом способе при обратной полярности напряжения на обмотках трансформатора энергией второго конденсатора создают ток намагничивания обратной полярности, сравнивают сигнал, получаемый как разность сигналов, пропорциональных первичному и вторичному токам, с разностью сигналов, пропорциональных входному напряжению и напряжению второго конденсатора, если разность положительна, или с нулем, если разность отрицательна, при их равенстве отключают второй конденсатор и с помощью тока намагничивания обратной полярности разрежают первый конденсатор до изменения знака напряжения первичной обмотки и равенства его входному напряжению, возвращают остаток энергии тока намагничивания обратной полярности во входной источник и повторяют цикл преобразования напряжения.

Применение предлагаемого способа позволяет с помощью энергии трансформатора разряжать параллельную емкость и удерживать нулевое напряжение на ней до момента открытия первого ключа, что дает возможность существенно увеличить параллельную емкость для снижения динамических потерь при выключении ключа без больших потерь при ее перезаряде. Обеспечивает режим работы преобразователя в широком диапазоне входного и выходного напряжений и тока нагрузки, с минимальным временем «простоя трансформатора», которое не связано с основными процессами накопления энергии в трансформаторе и с передачей этой энергии в нагрузку, и, следовательно, более полно использовать габаритную мощность трансформатора и таким образом поднять КПД, повысить удельные массогабаритные показатели источника питания и увеличить его единичную мощность.

Сущность предлагаемого способа поясняется временными диаграммами, приведенными на Фиг.1, и схемой замещения Фиг.2.

На временных диаграммах (Фиг.1) показаны: Ug.кл1 - импульсы управления первым ключом; Iкл1 - ток первого ключа; I - ток намагничивания трансформатора (I =I1-12), I1 и I2 - ток первичной и вторичной обмоток трансформатора; Iкл2 - ток второго ключа; Uкл1 - напряжение на первом ключе. На диаграммах: I - приращение тока намагничивания обратной полярности к моменту выключения второго ключа; Uc и Uвх - напряжения на конденсаторе и входное напряжение.

На схеме замещения (Фиг.2) раскрыта схема замещения трансформатора, где:

L - индуктивность намагничивания трансформатора;

Ls1 и Ls2 - индуктивности рассеяния первичной и вторичной обмоток;

1 - источник входного напряжения; 2 - первый ключ; 3 - первый конденсатор (параллельная емкость); 4 - второй конденсатор; 5 - второй ключ; 6 - трансформатор; 7 - выходной выпрямитель; 8 - выходной фильтр; 9 - нагрузка.

Возможность реализации предлагаемого способа иллюстрируются временными диаграммами Фиг.1 и схемой замещения Фиг.2.

На интервале t1-t2 накапливают необходимое количество энергии в первичной обмотке трансформатора 6 (Iкл1, I ) и в момент t2 запирают первый ключ. Напряжение на первом ключе нарастает со скоростью, определяемой величиной первого конденсатора 3, что позволяет снизить динамические потери на выключение первого ключа. При достижении напряжения на вторичной обмотке напряжения нагрузки начинает проводить выпрямитель 7 и накопленная энергия поступает в нагрузку. В момент t3, когда напряжение на первом ключе становится равным напряжению второго конденсатора 4, отпирают второй ключ 5, энергию рассеяния первичной обмотки и часть энергии основного потока передают в конденсатор (Iкл2) - интервал t3-t4. На интервале t4-t6 энергию основного потока и энергию, накопленную во втором конденсаторе, передают в нагрузку. В момент t5 энергия основного потока уменьшается до нуля и начинают накопление тока намагничивания другого знака за счет энергии второго конденсатора. В момент t6, когда разность сигналов, пропорциональных входному напряжению и напряжению второго конденсатора, становится равной сигналу, пропорциональному току намагничивания трансформатора I , запирают второй ключ и отрицательным током намагничивания разряжают первый конденсатор 3 до нуля. Избыточный отрицательный ток намагничивания замыкается через обратный диод первого ключа (на схеме не показан) и возвращается во входной источник. Далее процесс преобразования повторяется.

Момент запирания второго ключа определяют, исходя из требуемой энергии для перезаряда первого конденсатора 3 до нуля (без учета потерь). Этот момент определяют при равенстве сигнала, пропорционального току первичной обмотки, и сигнала, пропорционального разности приведенных значений входного и выходного напряжений, что следует из выражений для энергии конденсатора и индуктивности:

;

откуда,

;

где: Е - энергия индуктивности намагничивания трансформатора;

I - ток намагничивания, приведенный к первичной стороне;

U_c - напряжение на конденсаторе;

L - индуктивность намагничивания трансформатора;

U_BX - входное напряжение преобразователя;

Е_C - энергия емкости включенной параллельно первому ключу;

С - емкость конденсатора.

Процесс перезаряда первого конденсатора 3 протекает в следующей последовательности. Вначале напряжение на нем равно Uкл1=Ubx+Uc, где Uc - напряжение на втором конденсаторе, Ubx - напряжение входного источника питания. Затем напряжение на конденсаторе падает, и как только оно принимает значение Uc=Ubx, напряжение на первичной обмотке становится равным нулю, а энергия первого конденсатора, соответствующая Uc, передана в трансформатор. Затем эта составляющая энергии трансформатора разрежает параллельную емкость до напряжения Uкл1=Ubx-Uc. Чтобы конденсатор разрядился до нуля, необходимо предварительно накопить в трансформаторе ток равный:

.

При реализации способа в источнике питания, совмещенном с корректором коэффициента мощности, где входное напряжение пульсирует с частотой сети, существует режим, когда входное напряжение меньше, чем напряжение второго конденсатора. В этом режиме в трансформаторе накапливается избыточный отрицательный ток во время разряда первого конденсатора, и запирать второй ключ необходимо при достижении током намагничивания нулевого значения.

Для реализации способа необходимо определить величину емкости второго конденсатора. Оптимальное значение определяется из условия, чтобы в режиме максимальной мощности преобразователя полупериод свободных колебаний в последовательном контуре, составленном из конденсатора 4 и суммарной индуктивности рассеяния Ls1+Ls2 (Фиг.2), был равен времени, необходимом, для передачи энергии основного потока в нагрузку (интервал t4-t5).

Источники информации

1. Интегральные микросхемы: Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. Изд. 2-е. - М.: ДОДЭКА, 2000. - 608 с., стр.191.

2. 7 Н02М 3/28. JP 3237633 B2. 02.12.98. Импульсный источник питания (73) Murata Mfg Co Ltd.