close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY10896

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2008.08.30
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 10896
(13) C1
(19)
H 02M 3/335
H 02M 3/08
H 02M 3/28
H 01F 19/00
ЯЧЕЙКА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ
(21) Номер заявки: a 20060191
(22) 2006.03.06
(43) 2007.10.30
(71) Заявитель: Черяев Виктор Александрович (BY)
(72) Автор: Черяев Виктор Александрович (BY)
(73) Патентообладатель: Черяев Виктор
Александрович (BY)
(56) Севернс С. и др. Импульсные преобразователи постоянного напряжения
для систем вторичного электропитания / Под ред. Смольникова Л.Е. - Москва: Энергоатомиздат, 1988. - С. 140141.
RU 2214671 C2, 2003.
SU 1598076 A1, 1990.
SU 1525836 A1, 1989.
US 3740639 A, 1973.
WO 96/08071 A1.
BY 10896 C1 2008.08.30
(57)
Ячейка преобразователя напряжения, содержащая трансформатор и силовой ключ, последовательно соединенный с первичной обмоткой трансформатора, отличающаяся тем,
что первичная обмотка трансформатора выполнена в виде длинной линии.
Фиг. 1
BY 10896 C1 2008.08.30
Изобретение относится к электротехнике и может использоваться в преобразовательной технике, например, в источниках вторичного электропитания.
Известны преобразователи постоянного напряжения, работа которых основана на накоплении энергии в индуктивности при протекании тока через нее в одной фазе и передаче накопленной энергии в нагрузку в другой фазе. Например, широко используется
обратноходовой преобразователь, в котором накопительная индуктивность реализуется
индуктивностью первичной обмотки трансформатора [1]. Известен также прямоходовой
преобразователь, работа которого основана на прямой передаче энергии источника питания в нагрузку через трансформатор и фильтр во время замкнутого состояния ключа. Топологии прямоходового и обратноходового преобразователей различаются только в цепи
вторичной обмотки трансформатора. Эти две топологии можно обобщить, если используемый в обратноходовом преобразователе выходной емкостной фильтр объединить с нагрузкой в комплексную нагрузку и используемый в прямоходовом преобразователе
выходной фильтр-интегратор, состоящий из диода, емкости и индуктивности, соответственно также объединить с нагрузкой в комплексную нагрузку. В таких схемах прямоходовой и обратноходовой преобразователи различаются лишь полярностью подключения
вторичной обмотки трансформатора. Таким образом, обобщенная топология однотактного
преобразователя с гальванической развязкой входа и выхода содержит силовой каскад,
состоящий из силового ключа и импульсного трансформатора, выпрямитель и комплексную нагрузку. Силовой каскад преобразователя часто называется ячейкой. В [1] приводятся четыре наиболее характерные схемы преобразовательных ячеек: однотактного
преобразователя, преобразователя со средней точкой первичной обмотки трансформатора,
полумостового преобразователя и мостового преобразователя. Можно заметить, что схема
ячейки однотактного преобразователя является самой элементарной и используется в других схемах. Например, в двухтактном преобразователе со средней точкой одно плечо схемы является силовым каскадом, состоящим из транзисторного ключа и трансформатора.
То же самое можно сказать о полумостовом и мостовом преобразователях, а также о преобразователе - диодно-транзисторном мосте [2], называемом однотактный полумост, топология которого является однотактной разновидностью мостового преобразователя.
Ячейки преобразователей напряжения, выполненные по одной из топологий, используются в составных преобразователях [1].
Также известны трансформаторы на основе длинной линии [3], у которых первичная
обмотка выполнена в виде длинной линии.
В обратноходовом преобразователе при обрыве в цепи вторичной обмотки на элементах схемы могут возникать импульсы напряжения, способные вывести их из строя. При
отключении нагрузки возможен заряд конденсатора фильтра до недопустимо высокого
напряжения.
В прямоходовом преобразователе энергия, накопленная в индуктивности намагничивания трансформатора, должна быть рекуперирована. Для этого применяют различные
демпфирующие цепи: стабилитроны, RC-цепочки, DRC-цепочки, активный кламп, либо
используется дополнительная обмотка с диодом. Сброс накопленной трансформатором
энергии в других типах преобразователей, силовые каскады которых работают на прямом
ходу, может осуществляться иначе. Например, в полумостовых и мостовых схемах для
этого используются встречно-параллельные диоды. Однако при высокой частоте преобразования и демпфирующие цепи, и диоды снижают к.п.д. из-за дополнительных потерь в
них при переключениях.
В ячейке как прямоходового преобразователя, так и обратноходового сложно реализуется размагничивание магнитопровода трансформатора, особенно это касается обратноходового преобразователя, в котором часто используется режим непрерывных токов через
дроссель, реализуемый обмотками трансформатора, и применяется магнитопровод с воздушным зазором.
2
BY 10896 C1 2008.08.30
Наиболее близкий прототип предлагаемого устройства - силовой каскад однотактного
преобразователя [1].
В основу изобретения положена задача создания ячейки преобразователя, в которой
ограничивается амплитуда импульсов напряжения на силовом ключе при его размыкании,
достигается простым способом активное размагничивание магнитопровода трансформатора, увеличивается рабочая частота преобразования.
Для решения поставленной задачи предлагается в ячейке однотактного преобразователя вместо обычного импульсного трансформатора использовать трансформатор, первичная обмотка которого выполнена в виде длинной линии. При размыкании силового
ключа энергия, накопленная в индуктивностях трансформатора, заряжает линию, что ограничивает амплитуду импульсов напряжения на ключе. Последующий разряд линии возвращает рекуперированную энергию и одновременно размагничивает магнитопровод
трансформатора. Линия может быть выполнена с распределенными параметрами, что позволяет повысить частоту преобразования. Предлагаемая ячейка может работать как в обратноходовом режиме, так и в прямоходовом.
На фиг. 1 изображена электрическая схема предлагаемой ячейки преобразователя. На
фиг. 2 изображена электрическая схема обратноходового преобразователя с предлагаемой
ячейкой. На фиг. 3 изображена эквивалентная схема обратноходового преобразователя с
предлагаемой ячейкой. На фиг. 4 изображена электрическая схема прямоходового преобразователя с предлагаемой ячейкой.
Описание устройства рассмотрим по схеме фиг. 1. Предлагаемая ячейка преобразователя напряжения содержит трансформатор Т, первичная обмотка которого выполнена в
виде длинной линии LZ, и последовательно соединенный с первичной обмоткой силовой
ключ Q, подключенный к концу линии. Напряжение питания UПИТ подается на начало линии LZ. На управляющий электрод ключа Q подаются импульсы управления UУПР, управляющие замыканием и размыканием ключа Q.
Работу ячейки рассмотрим в составе обратноходового преобразователя по схеме
фиг. 3, которая является эквивалентной схемой схемы фиг. 2. Выпрямительный диод D и
комплексная нагрузка Z, состоящая из емкости фильтра и сопротивления нагрузки, в эквивалентной схеме перенесены на сторону первичной обмотки и обозначены, соответственно, D', Z', С' и Rн'. С подачей импульса управления UУПР на управляющий электрод
ключа Q замыкается ключа Q, и в заряженной до напряжения UПИТ длинной линии LZ, являющейся первичной обмоткой трансформатора Т, начинает распространяться волна тока
намагничивания линии, которая в зависимости от длительности замкнутого состояния
ключа Q может несколько раз отразиться от конца линии и ступенчато возрасти. Пока
ключ Q остается замкнутым, напряжение на комплексную нагрузку Z', состоящую из конденсатора фильтра С' и нагрузки Rн', не подается, так как заперт диод D'. Когда ключ Q
размыкается, часть энергии, накопленной в индуктивности линии LZ, передается в нагрузку, часть заряжает емкости линии. От конца линии LZ к ее началу начинает распространяться волна повышенного напряжения. Одновременно отпирается диод D', и ток
индуктивности линии LZ заряжает емкость С' и обеспечивает ток через нагрузку Rн'. Когда волна повышенного напряжения достигает начала линии, линия начинает разряжаться
в источник, и к ее концу распространяется волна тока разряда линии. Диод D' остается открытым до тех пор, пока волна тока разряда не достигнет конца линии. По достижении
конца линии этот ток перезаряжает линию, и напряжение на конце линии уменьшается, а
диод D' запирается. С приходом очередного импульса управления UУПР ключ Q снова замыкается, и процессы периодически повторяются.
Эквивалентная схема фиг. 3 идентична известной схеме инвертирующего регулятора
напряжения, в которой индуктивность заменена длинной линией. При отключенной нагрузке либо в аварийном режиме, например, если отсоединен диод D', максимальная амплитуда напряжения на ключе может быть ограничена значением, равным произведению
3
BY 10896 C1 2008.08.30
волнового сопротивления линии на прерываемый ток намагничивания в момент размыкания ключа Q. В данной схеме возможно активное размагничивание магнитопровода током
разряда линии в источник питания.
На схеме фиг. 4 показана предлагаемая ячейка в составе прямоходового преобразователя. Ее работа отличается от рассмотренной обратноходовой схемы фиг. 2: энергия в нагрузку передается непосредственно от источника через замкнутый силовой ключ, а при
размыкании ключа нагрузка отключается выпрямительным диодом, и вся энергия, накопленная в индуктивностях трансформатора, заряжает линию, которая затем разряжается в
источник и размагничивает магнитопровод. Напряжение на силовом ключе ограничивается напряжением, равным произведению волнового сопротивления линии на прерываемый
ток намагничивания линии, а перемагничивание магнитопровода в процессе работы преобразователя возможно по предельной петле гистерезиса.
Эффективная работа предлагаемой ячейки в составе преобразователей существенно
зависит от правильной организации управления силовым ключом. В линии может быть
получен режим стоячих волн, при котором снижены динамические потери при переключениях, эффективно перемагничивается магнитопровод, ограничивается напряжение на
ключе, делится напряжение между звеньями линии. Целесообразно использовать импульсы управления с постоянной скважностью либо меандр. Работа ячейки возможна при питании как от источника напряжения, так и от источника тока.
В предлагаемой ячейке трансформатор обеспечивает гальваническое разделение входа
и выхода, трансформацию, позволяет получать напряжения на нескольких вторичных обмотках, а также суммировать мощности нескольких ячеек. Несколько однотипных ячеек
легко могут быть объединены в составной преобразователь. Линии отдельных ячеек могут
располагаться каждая на своем магнитопроводе, либо несколько линий могут располагаться на одном магнитопроводе. Составной преобразователь на предлагаемых ячейках
может использоваться для получения ступенчато-синусоидального напряжения.
Ячейка также может быть использована в других топологиях, отличных от топологии
однотактного преобразователя, например, в полумостовых, мостовых и схемах со средней
точкой первичной обмотки трансформатора, в однотактном полумосте, при этом могут
быть исключены встречно-параллельные диоды.
Использование длинной линии с распределенными параметрами способствует миниатюризации преобразователей, построенных на таких ячейках.
Источники информации:
1. Севернс Р., Блум Г. Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания. - М.: Энергоатомиздат, 1988.
2. Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. - Москва: Техносфера,
2005.
3. Патент на изобретение РБ № 9879. "Трансформатор на основе длинной линии". Дата регистр. 2007.07.06.
4
BY 10896 C1 2008.08.30
Фиг. 2
Фиг. 3
Фиг. 4
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
5
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
259 Кб
Теги
by10896, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа