Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
Патент на изобретение №2462807

(19)

RU

(11)

2462807

(13)

C1

(51) МПК H02M7/53 (2006.01)

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ Статус: по данным на 17.09.2012 - нет данных Пошлина:

(21), (22) Заявка: 2011128195/07, 07.07.2011

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

07.07.2011

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 07.07.2011

(45) Опубликовано: 27.09.2012

(56) Список документов, цитированных в отчете о

поиске: SU 1379907 A1, 07.03.1988. RU 2196382 C2, 10.01.2003. ЕР 074689 В1, 19.06.1996.

Адрес для переписки:

443010, г.Самара, ул. Л. Толстого, 23, ГОУ ВПО "Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики" (ГОУВПО ПГУТИ)

(72) Автор(ы):

Саксонов Александр Владимирович (RU),

Саксонов Владимир Александрович (RU)

(73) Патентообладатель(и):

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики" (ГОУВПО ПГУТИ) (RU)

(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам преобразования постоянного напряжения с применением управляемых полупроводниковых приборов, например транзисторов, и может быть использовано во вторичных источниках питания. Преобразователь постоянного напряжения содержит два управляемых в противофазе однотактных инвертора (5, 6) с общими для инверторов источником питания (3), нагрузкой (16), формирующим конденсатором (21) и двумя разделительными диодами (22, 23). Предложено выполнить первичные обмотки (11, 12) силового трансформатора на общем магнитопроводе (13) и включить их в инверторы (5, 6) встречно по отношению друг к другу, а также предложены новые связи вывода формирующего конденсатора (21) и выводов разделительных диодов (22, 23) с выводами упомянутых первичных обмоток (11, 12). Новые признаки преобразователя постоянного напряжения обеспечивают технический результат - возможность снижения массы, габаритов, себестоимости, динамических потерь мощности в ключах, повышают КПД, надежность, расширяют ассортимент пригодных к применению полевых и биполярных транзисторов с малыми значениями (5÷100 В·А) мгновенной коммутируемой мощности. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам преобразования постоянного напряжения с применением статических ключей на управляемых полупроводниковых приборах, например транзисторах, и может быть использовано, например, в сетевых источниках вторичного электропитания.

Известен преобразователь постоянного напряжения, содержащий два управляемых в противофазе однотактных мостовых инвертора с общими для инверторов источником питания и нагрузкой [1].

Недостаток известного преобразователя постоянного напряжения - большие масса, габариты и стоимость - обусловлен необходимостью в преобразователе двух силовых трансформаторов с первичной и вторичной обмотками каждый и перемагничиванием их магнитопроводов по частным циклам с меньшим допустимым изменением индукции. Второй недостаток преобразователя - большие потери мощности в ключах - обусловлен включением и закрыванием ключей при высоком напряжении на них, равном напряжению источника питания.

Известен преобразователь постоянного напряжения, содержащий два управляемых в противофазе однотактных мостовых инвертора с общими для инверторов источником питания, нагрузкой, формирующим конденсатором, соединенным с двумя разделительными диодами, причем каждый инвертор содержит коммутатор первичной обмотки силового трансформатора и обратные диоды, соединенные одним из выводов с шинами общего источника питания [2].

Недостатки известного преобразователя постоянного напряжения - большие масса, объем, стоимость, технологическая сложность изготовления - обусловлены необходимостью двух силовых трансформаторов с большим числом обмоток и витков в них и дополнительных конденсаторов.

Наиболее близким к предлагаемому преобразователю постоянного напряжения является преобразователь, содержащий два однотактных мостовых инвертора с общими для инверторов источником питания постоянным напряжением, нагрузкой и формирующим конденсатором, соединенным первым выводом с разноименными первыми выводами двух разделительных диодов, причем каждый инвертор содержит коммутатор на двух управляемых ключах, включенных между шинами общего источника питания последовательно между собой и первичной обмоткой силового трансформатора, включенной между упомянутыми ключами, а также - два обратных диода, включенных каждый между соответствующим выводом первичной обмотки и одной из шин общего источника питания, с направлением проводимости, совпадающим с направлением реактивного тока упомянутой первичной обмотки, возникающего при закрывании соединенных с ней ключей [3].

Первый недостаток ближайшего аналогичного преобразователя постоянного напряжения - большие масса, габариты и стоимость - обусловлен необходимостью в нем двух силовых трансформаторов, каждый из которых содержит первичную и вторичную обмотки и магнитопровод, перемагничивающийся по частотному циклу с допустимой величиной изменения индукции в два раза меньше, чем в предлагаемом преобразователе. Второй недостаток аналогичного преобразователя - повышенные динамические потери мощности при закрывании ключей в инверторах - обусловлен более высоким мгновенным значением напряжения на ключах при их закрывании.

Анализ указанных выше признаков аналогичных преобразователей, общих с новыми признаками предлагаемого преобразователя, выявил возможность получения положительного технико-экономического эффекта от их реализации и наличия изобретательского уровня в исполнении предлагаемого преобразователя.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение массы, габаритов, стоимости и потерь мощности при закрывании ключей в инверторах преобразователя постоянного напряжения.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в преобразователе постоянного напряжения, содержащем два однотактных мостовых инвертора с общими для инверторов источником питания постоянным напряжением, нагрузкой и формирующим конденсатором, соединенным первым выводом с разноименными первыми выводами двух разделительных диодов, причем каждый инвертор содержит коммутатор на двух управляемых статических ключах, включенных между шинами общего источника питания последовательно между собой и первичной обмоткой силового трансформатора, включенной между упомянутыми ключами, а также - два обратных диода, включенных каждый между одним из выводов первичной обмотки и одной из шин источника питания с направлением проводимости, совпадающим с направлением реактивного тока первичной обмотки, соединенной с данными диодами, возникающего в момент закрывания соединенных с обмоткой ключей, предложены новые признаки: упомянутые первичные обмотки выполнены на общем магнитопроводе и включены между собой встречно, второй вывод формирующего конденсатора соединен непосредственно с первыми одноименными выводами первичных обмоток, а вторые выводы разделительных диодов соединены каждый со вторым выводом соответствующей первичной обмотки силового трансформатора.

На чертеже представлена принципиальная электрическая схема предлагаемого преобразователя постоянного напряжения.

Преобразователь постоянного напряжения содержит шины 1, 2 для подключения общего источника питания 3 постоянным напряжением, шунтирующий конденсатор 4 для приема реактивной энергии первичных обмоток, однотактные мостовые инверторы 5, 6, содержащие каждый включенные между шинами питания 1, 2 коммутаторы, соответственно, на управляемых статических ключах 7, 8 и 9, 10, включенные между ключами первичные обмотки, соответственно, 11, 12, выполненные на общем магнитопроводе 13 со вторичной обмоткой 14, подключенной, например, через выпрямительно-фильтрующий блок 15 к общей для инверторов 5, 6 нагрузке 16, обратные диоды: 17, 18 в инверторе 5 и 19, 20 в инверторе 6, формирующий конденсатор 21, разделительные диоды 22, 23.

Ключи 7, 8 инвертора 5 и ключи 9, 10 инвертора 6 включены с направлением проводимости, совпадающим с направлением рабочего тока от шины 1 к шине 2 через включенные между ключами 7, 8 и 9, 10 обмотки, соответственно, 11 и 12, включенные встречно по отношению друг к другу. Обратные диоды 17, 18 инвертора 5 включены каждый между соответствующей из шин 1, 2 и одним из выводов первичной обмотки 11 с направлением проводимости, совпадающим с направлением реактивного тока обмотки 11, протекающим при закрывании ключей 7, 8 через диоды 17, 18 и конденсатор 4, встречно напряжению источника питания 3. Аналогично, обратные диоды 19, 20 инвертора 6 включены каждый между соответствующей из шин 1, 2 и соответствующим выводом первичной обмотки 12 с направлением проводимости каждого диода, совпадающим с направлением реактивного тока обмотки 12, протекающим при закрывании ключей 9, 10 через диоды 19, 20 и конденсатор 4.

Первый вывод формирующего конденсатора 21 соединен с разноименными выводами разделительных диодов 22, 23. Второй вывод формирующего конденсатора 21 соединен с первыми одноименными выводами первичных обмоток 11, 12, вторые выводы каждой из которых соединены с соответствующим вторым выводом одного из разделительных диодов 22, 23. Вторичная обмотка 14 магнитопровода 13 соединена с нагрузкой 16, например, через выпрямительно-фильтрующее устройство 15, которое может быть реализовано по известным схемам [4]. Статические управляемые ключи 7, 8 и 9, 10 также могут быть выполнены по известным схемам [5].

Преобразователь постоянного напряжения в квазиустановившемся режиме работает следующим образом. Ключи 7, 8 инвертора 5 управляются от внешнего устройства управления (на чертеже не показан) синхронно. Ключи 9, 10 инвертора 6 между собой также управляются синхронно, но относительно ключей 7, 8 ключи 9, 10 управляются в противофазе с периодом коммутации и временем открытого состояния, как у ключей 7, 8. Обозначим амплитуду напряжения на элементе с номером i на чертеже как Ui.

Примем за исходное время момент начала включения ключей 7, 8 инвертора 5. При этом к обмотке 11 приложено напряжение U 11 U 4 (полярность указана на схеме преобразователя постоянного напряжения без скобок). Падение напряжения на ключах 7, 8 не учитываем, т.к. обычно U 7 +U 8 <
Таким образом, предложенное исполнение первичных обмоток 11, 12 позволило в 2 раза повысить допустимое изменение индукции в магнитопроводе 13, что позволяет уменьшить в 2 раза число витков в первичных обмотках и количество силовых трансформаторов в предлагаемом преобразователе постоянного напряжения по сравнению с ближайшим аналогичным преобразователем, т.е. обеспечивает снижение массы, габаритов, себестоимости преобразователя и повышает его надежность.

На всем этапе включенного состояния ключей 9, 10 U 12 =U 11 =U 4 =U 21 с полярностью, указанной на схеме преобразователя в скобках, поэтому закрывание ключей 9, 10 будет происходить при напряжениях U 9 U 10 =U 4 -U 21 <
Таким образом, единство новых признаков - исполнения первичных обмоток и их связей в преобразователе постоянного напряжения - обеспечивает снижение динамических потерь мощности при включении и закрывании ключей инверторов за счет обеспечения заряда формирующего конденсатора до напряжения, более близкого к напряжению источника питания, чем в аналогичном преобразователе, что, в свою очередь, позволяет снизить напряжения на ключах в моменты их коммутации. Одновременно, предложенное исполнение первичных обмоток и их связи обеспечивают снижение потерь мощности при использовании лишь одного силового трансформатора с возможностью повышения в два раза допустимого изменения индукции в его в магнитопроводе и выполнения его без зазора или с меньшей длиной зазора, что позволяет более чем в два раза уменьшить число витков в обмотках силового трансформатора, снизить массу, габариты, себестоимость преобразователя и повысить его надежность. Дополнительно можно указать, что предложенный преобразователь постоянного напряжения существенно расширяет возможность применения в преобразователях полевых и биполярных транзисторов с малыми допустимыми значениями мгновенной коммутируемой мощности 50÷150 вольтампер и позволяет повысить выходную мощность при применении транзисторов с большими допустимыми значениями мгновенной коммутируемой мощности, например, транзисторов IGBT типа.

Источники информации

1. Ханин Ц.И., Шалашова Л.М. и др. Эксплуатация электроустановок предприятий связи. М.: Радио и связь, 1994. Стр.110, рис. 4.43. Стр.113, рис.4.45.

2. А.С 1379907, H02M 3/337, опуб. 07.03.1988.

3. Прототип - Пат. РФ 2196382, H02M 7/537, опубл. 10.01.2003.

4. Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. М.: Техносфера, 2006. Стр.191, рис.10.1,а,б. Стр.471, рис.20.7.

Формула изобретения

Преобразователь постоянного напряжения, содержащий два однотактных мостовых инвертора с общими для инверторов источником питания постоянным напряжением, нагрузкой и формирующим конденсатором, соединенным первым выводом с разноименными первыми выводами двух разделительных диодов, причем каждый инвертор содержит коммутатор на двух управляемых статических ключах, включенных между клеммами общего источника питания последовательно между собой и первичной обмоткой силового трансформатора, включенной между упомянутыми ключами, а также два обратных диода, включенных каждый между одним из выводов соответствующей первичной обмотки и одной из шин общего источника питания с направлением проводимости, совпадающим с направлением реактивного тока первичной обмотки, соединенной с данными диодами, возникающего при закрывании соединенных с обмоткой ключей, отличающийся тем, что упомянутые первичные обмотки выполнены на общем магнитопроводе и включены между собой встречно, второй вывод формирующего конденсатора соединен непосредственно с первыми одноименными выводами первичных обмоток, а вторые выводы разделительных диодов соединены каждый со вторым выводом соответствующей первичной обмотки силового трансформатора.

РИСУНКИ