Область техники

Изобретение относится к области электротехники, в частности к DC-DC преобразователям, и может быть использовано в источниках вторичного электропитания.

Предшествующий уровень техники

Импульсные повышающие регуляторы напряжения используются, когда необходимо получить на нагрузке напряжение, по величине превышающее входное напряжение. Каждый период работы импульсного повышающего регулятора напряжения можно разбить на два промежутка времени: в первом происходит накопление энергии в дросселе, во втором - накопленная энергия передается в нагрузку. Т.к. выходной ток импульсного повышающего регулятора напряжения имеет импульсный характер, то для получения стабильного напряжения на нагрузке требуется применение фильтрующего конденсатора большой емкости, включенного параллельно нагрузке. До настоящего времени этот недостаток присущ всем импульсным повышающим регуляторам напряжения (Riсаrdо Fuепtеs, Раtriсiо Lаgоs, Juап Вustоs. А Ыgh еffiсiепсу iпduсtiоп furпасе сопtrоllеd bу а resonant IGBT iпvеrtеr. EPE 2001, Grаz, August 2001).

Известен импульсный повышающий регулятор напряжения, содержащий входной, общий и выходной выводы для подключения соответственно источника питания и нагрузки, дроссель, одним выводом подключенный к входному выводу, другим выводом через диод к выходному выводу, управляемый ключ, одним выводом подключенный к общему выводу, вторым выводом подключенный в точку соединения дросселя и диода, а управляющим выводом - к выходу источника управляющих сигналов, фильтрующий конденсатор, включенный между общим и выходным выводами (Источники вторичного электропитания.

CC. Букреев, В.А. Головацкий, Г.Н. Гулякович и др. Под ред. Ю.И. Конева. M., Радио и связь, 1983, схр. 80).

При замкнутом управляемом ключе к дросселю приложено напряжение источника питания и ток в дросселе увеличивается, при разомкнутом управляемом ключе открывается диод и ток дросселя замыкается через нагрузку, фильтрующий конденсатор и источник питания, при этом к дросселю приложена разность входного и выходного напряжений и ток в дросселе уменьшается.

Недостатком такого импульсного повышающего регулятора напряжения являются большие пульсации выходного напряжения, т.к. подзарядка фильтрующего конденсатора происходит только при разомкнутом управляемом ключе.

Наилучшим решением этой проблемы было бы формирование непрерывного тока подзарядки фильтрующего конденсатора. Задача, решаемая изобретением, - создание импульсного повышающего регулятора напряжения с непрерывным выходным током, в котором достигается уменьшение пульсаций выходного напряжения за счет подзарядки фильтрующего конденсатора как при разомкнутом, так и при замкнутом управляемом ключе.

Раскрытие изобретения

Поставленная задача решена за счет того, что в известный импульсный повышающий регулятор напряжения, содержащий входной, общий и выходной выводы для подключения соответственно источника питания и нагрузки, дроссель, одним выводом подключенный к входному выводу, другим выводом через первый диод к выходному выводу, фильтрующий конденсатор, включенный между общим и выходным выводами, управляемый ключ, одним выводом подключенный к общему выводу, управляющим выводом - к выходу источника управляющих сигналов, дополнительно введены трансформатор тока, второй и третий диоды, причем начало первичной обмотки трансформатора тока соединено со свободным выводом управляемого ключа, конец - с точкой соединения дросселя и первого

диода, начало вторичной обмотки трансформатора тока соединено с входным выводом, конец - через второй диод, включенный встречно первому диоду, соединен с выходным выводом и через третий диод, включенный согласно второму диоду, соединен с общим выводом. Возможно уменьшение габаритов сердечника трансформатора тока, что достигается введением дополнительной обмотки на сердечнике трансформатора тока, включенной между дросселем и точкой соединения первого диода и первичной обмотки трансформатора тока встречно первичной обмотке трансформатора тока. Для увеличения выходного напряжения предлагаемого импульсного повышающего регулятора напряжения с непрерывным выходным током возможно подключение начала вторичной обмотки трансформатора тока к дополнительно введенному источнику питания, подключенному к общему выводу. Для уменьшения амплитуды импульсного напряжения на управляемом ключе при его выключении возможно введение дополнительного источника питания, включенного между общим выводом и третьим диодом.

Краткое описание фигур чертежей

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого импульсного повышающего регулятора напряжения с непрерывным выходным током, на фиг. 2 - то же, с дополнительной обмоткой на сердечнике трансформатора тока, на фиг. 3 — то же, с подключением начала вторичной обмотки трансформатора тока к дополнительно введенному источнику питания, подключенного к общему выводу, на фиг. 4 - то же, с дополнительным источником питания, включенным между общим выводом и третьим диодом, на фиг. 5 - кривые токов и напряжений элементов схемы, приведенной на фиг. 1.

Варианты осуществления изобретений

Импульсный повышающий регулятор напряжения с непрерывным выходным током (фиг. 1) содержит входной 1, общий 2 и выходной 3

выводы для подключения соответственно источника питания 4 и нагрузки 5, дроссель 6, одним выводом подключенный к входному выводу 1, другим выводом - через первый диод 7 к выходному выводу 3, фильтрующий конденсатор 8, включенный между общим 2 и выходным 3 выводами, управляемый ключ 9, одним выводом подключенный к общему выводу 2, управляющим выводом — к выходу источника управляющих сигналов 10, другим выводом - через первичную обмотку трансформатора тока 11 к точке соединения дросселя 6 и первого диода 7, второй диод 12, одним выводом подключенный к выходному выводу 3 встречно первому диоду 7, другим выводом - через вторичную обмотку трансформатора тока 11 к входному выводу 1, третий диод 13, включенный между общим выводом 2 и точкой соединения вторичной обмотки трансформатора тока 11 и второго диода 12 согласно последнему. Импульсный повышающий регулятор напряжения с непрерывным выходным током работает следующим образом.

Источник управляющих сигналов 10 замыкает и размыкает управляемый ключ 9, поддерживая на нагрузке 5 требуемое напряжение за счет изменения скважности замкнутого состояния управляемого ключа 9.

В установившемся режиме перед замыканием управляемого ключа 9 ток дросселя 6 протекает по цепи: дроссель 6, первый диод 7, фильтрующий конденсатор 8 и нагрузка 5, источник питания 4, при этом происходит передача накопленной в дросселе 6 энергии в фильтрующий конденсатор 8 и нагрузку 5, ток в дросселе 6 уменьшается. В момент времени t ₀ (см. фиг. 5) источник управляющих сигналов 10 замыкает управляемый ключ 9, первый диод 7 запирается и ток дросселя 6 замыкается по пути: дроссель 6, первичная обмотка трансформатора тока 11, управляемый ключ 9, источник питания 4. Во вторичной обмотке трансформатора тока 11 возникает ток, который замыкается по пути: вторичная обмотка трансформатора тока 11, второй диод 12, фильтрующий конденсатор 8 и нагрузка 5, источник питания 4. При этом к вторичной обмотке трансформатора тока 11 приложена разность

напряжений источника питания 4 и нагрузки 5. На этом промежутке времени ток дросселя 6 увеличивается.

При размыкании управляемого ключа 9 в момент времени U ток дросселя 6 замыкается через первый диод 7, фильтрующий конденсатор 8 и нагрузку 5, источник питания 4. В этот же момент времени запирается второй диод 12, ток намагничивания сердечника трансформатора тока 11 замыкается через источник питания 4 и третий диод 13. При этом к вторичной обмотке трансформатора тока 11 прикладывается напряжение источника питания 4, сердечник трансформатора тока 11 перемагничивается и в момент времени t ₂ возвращается в исходное состояние, соответствующее моменту времени t ₀ .

В момент времени t ₃ источник управляющих сигналов 10 замыкает управляемый ключ 9 и начинается следующий период работы импульсного повышающего регулятора напряжения с непрерывным выходным током.

Таким образом, благодаря введению дополнительных трансформатора тока 11, диодов 12, 13 выходной ток импульсного повышающего регулятора напряжения, равный сумме токов через диоды 7, 12, непрерывно подзаряжает фильтрующий конденсатора 8 как при разомкнутом, так и при замкнутом управляемом ключе 9, что приводит к уменьшению пульсаций напряжения на нагрузке 5.

В частном случае, когда число витков первичной и вторичной обмоток трансформатора тока 11 равны между собой, ток подзарядки фильтрующего конденсатора 8 практически равен току дросселя 6 и даже при отсутствии фильтрующего конденсатора 8 пульсации напряжения на нагрузке 5 могут быть незначительными.

На фиг. 2 представлен вариант выполнения импульсного повышающего регулятора напряжения с непрерывным выходным током с дополнительной обмоткой 14 на сердечнике трансформатора тока 11, включенной последовательно с дросселем б встречно первичной обмотке трансформатора тока 11.

В результате подмагничивания постоянным током рабочий

перепад индукции сердечника трансформатора тока 11 может быть увеличен более чем в 2 раза (практически до 2B _S , где B _s - индукция насыщения магнитного материала сердечника трансформатора тока 11), соответственно и сечение сердечника трансформатора тока 11 может быть уменьшено более, чем в 2 раза.

Таким образом, введение дополнительной обмотки 14 на сердечнике трансформатора тока 11 позволяет более чем в 2 раза уменьшить габариты сердечника трансформатора тока 11.

На фиг. 3 представлен вариант выполнения импульсного повышающего регулятора напряжения с непрерывным выходным током, в котором начало вторичной обмотки трансформатора тока И подключено к дополнительно введенному источнику питания 15.

При одинаковом числе витков первичной и вторичной обмоток трансформатора тока 11, непрерывном токе дросселя 6 и непрерывном выходном токе (сердечник трансформатора тока 11 не должен входить в насыщение) максимальное напряжение на нагрузке 5 будет равно:

где Uэ _тах - максимальное напряжение на нагрузке 5; U ₄ - напряжение источника питания 4;

Ui ₅ - напряжение источника питания 15.

В частном случае, когда U ₁₅ = U ₄ , максимальное напряжение на нагрузке 5, при котором не нарушается условие непрерывного выходного тока, равно U _5ma χ ⁼ (1+V5) U ₄ / 2. Для получения на нагрузке 5 более высокого напряжения достаточно взять источник напряжения 15 с более высоким, чем U ₄ , напряжением.

Таким образом, введение дополнительного источника питания 15 позволяет увеличить максимальное напряжение на нагрузке 5.

На фиг. 4 представлен вариант выполнения импульсного повышающего регулятора напряжения с непрерывным выходным током, в котором с целью уменьшения амплитуды импульсного напряжения на управляемом ключе 9 при его выключении введен дополнительный

источник питания 16 (в общем случае регулируемый), включенный между общим выводом 2 и третьим диодом 13.

При выключении управляемого ключа 9 начинается процесс перемагничивания сердечника трансформатора тока 11. В это время к управляемому ключу 9 приложена сумма напряжений на нагрузке 5 и на первичной обмотке трансформатора тока 11. Напряжение на первичной обмотке трансформатора тока 11 пропорционально разности напряжений источника питания 4 и дополнительного источника питания 16.

Таким образом, введение дополнительного источника питания 16 уменьшает амплитуду импульсного напряжения на управляемом ключе 9 при его выключении.

В случае равенства количества витков первичной и вторичной обмоток трансформатора тока 11 это уменьшение составляет величину напряжения дополнительного источника питания 16.

Промышленная применимость

Наиболее целесообразно применение данного изобретения в источниках бесперебойного питания, корректорах коэффициента мощности, импульсных повышающих регуляторах напряжения большой мощности. В частности, при использовании предлагаемого импульсного повышающего регулятора напряжения с непрерывным выходным током совместно с частотным электроприводом возможно увеличение скорости вращения вала электродвигателя более чем в полтора раза с сохранением момента на валу. Такой режим может быть использован в автомобиле с электроприводом (электромобиле) для создания режима форсированной мощности.