RU2589030C1

RU2589030C1 - Преобразователь переменного напряжения в постоянное

Info

Publication number: RU2589030C1
Application number: RU2014152438/07A
Authority: RU
Inventors: Николай Александрович Волобуев; Алексей Юрьевич Наймушин
Original assignee: Акционерное общество "Научно-производственное объединение автоматики имени академика Н.А. Семихатова"
Priority date: 2014-12-23
Filing date: 2014-12-23
Publication date: 2016-07-10

Abstract

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в источниках вторичного электропитания в качестве преобразователя переменного напряжения в постоянное. Технический результат заключается в увеличении надежности и повышении коэффициента полезного действия. Преобразователь переменного напряжения в постоянное содержит первичную обмотку первого трансформатора, начало которой соединено с анодом первого диода, катод которого соединен с анодом второго диода, катод которого соединен со стоком первого МДП-транзистора с n-каналом, затвор которого является входом для управляющего сигнала U_упр1, исток которого соединен со вторым входом преобразователя. Начало первичной обмотки второго трансформатора соединено с анодом третьего диода, катодом соединенного с анодом четвертого диода, катодом соединенного со стоком второго МДП-транзистора с n-каналом, затвор которого является входом для управляющего сигнала U_упр2, а исток соединен с первым входом преобразователя. Входной конденсатор подключен параллельно входам преобразователя. Первый вывод накопительного конденсатора подключен между катодом первого диода и анодом второго диода, второй вывод накопительного конденсатора подключен между катодом третьего диода и анодом четвертого диода. Начало вторичной обмотки первого трансформатора подключено к положительному выходу преобразователя, а конец подключен к отрицательному выходу преобразователя. Первый вывод выходного конденсатора подключен к положительному выходу преобразователя, второй вывод выходного конденсатора - к отрицательному выходу преобразователя. 3 ил.

Description

Изобретение относится к электротехнике, радиоэлектронике и предназначено для использования в источниках вторичного электропитания в качестве преобразователя переменного напряжения в постоянное.

Известно устройство для преобразования постоянного напряжения в постоянное, выбранное в качестве аналога (патент US 6473318 на изобретение от 20.11.2000 г.). Данное устройство содержит первый, второй и третий диод, импульсный трансформатор с двумя первичными и одной вторичной обмоткой, МДП-транзистор с n-каналом, первый и второй конденсаторы. Причем первый вывод первой первичной обмотки трансформатора присоединен к положительному входу преобразователя. Второй вывод присоединен к истоку МДП-транзистора с n-каналом, первый вывод второй первичной обмотки трансформатора - к аноду первого диода, второй вывод второй первичной обмотки трансформатора - к катоду второго диода, при этом катод первого диода присоединен к положительному входу преобразователя, а анод второго диода - к отрицательному входу преобразователя, отрицательный вывод первого конденсатора присоединен между анодом первого диода и первым выводом второй первичной обмотки трансформатора, исток МДП-транзистора с n-каналом присоединен к отрицательному входу преобразователя, первый вывод вторичной обмотки соединен с анодом третьего диода. Второй вывод вторичной обмотки соединен с отрицательным выводом нагрузки, катод третьего диода соединен с положительным выводом нагрузки, второй конденсатор присоединен параллельно нагрузке.

Недостатками данного устройства являются низкий коэффициент полезного действия и низкая надежность за счет большого количества элементов, на которых происходит рассеивание энергии.

Известное устройство для преобразования переменного напряжения в постоянное, выбранное в качестве прототипа (патент US 6819575 на изобретение от 25.07.2002 г.). Данное устройство содержит входной выпрямительный диодный мост, первый и второй трансформаторы, первый, второй, третий, четвертый и пятый диоды, первый и второй конденсаторы, выходной дроссель. Причем входные выводы диодного моста подключены к источнику переменного напряжения, положительный выходной вывод соединен с первым выводом первичной обмотки первого трансформатора, отрицательный выходной вывод соединен со стоком МДП-транзистора с n-каналом и отрицательным выводом накопительного конденсатора, Второй вывод первичной обмотки трансформатора соединен с анодами первого и второго диода. Катод первого диода соединен с истоком МДП-транзистора с n-каналом и с втором выводом первичной обмотки второго трансформатора. Катод второго диода соединен с положительным выводом накопительного конденсатора и с первым выводом первичной обмотки второго трансформатора. Первый вывод вторичной обмотки первого трансформатора соединен с анодом третьего диода, второй вывод подключен к отрицательному выходному выводу. Катод третьего диода подключен к положительному выходному выводу. Первый вывод вторичной обмотки второго трансформатора подключен к аноду четвертого диода, второй вывод вторичной обмотки второго трансформатора подключен к отрицательному выходному выводу. Катод четвертого диода подключен к первому выводу выходного дросселя. Второй вывод выходного дросселя подключен к положительному выходному выводу. Катод пятого диода подключен между катодом четвертого диода и первым выводом выходного дросселя, анод пятого диода подключен к отрицательному выходному выводу.

Недостатками данного устройства являются низкий коэффициент полезного действия и низкая надежность за счет большого количества элементов, на которых происходит рассеивание энергии и выбросом напряжения на транзисторе от энергии, накопленной в индуктивности рассеивания обмотки трансформатора.

Технические результаты заявленного изобретения заключаются в увеличении надежности и повышении коэффициента полезного действия за счет организации преобразователя для каждой половины периода входного переменного напряжения отдельно.

Для достижения указанного технического результата устройство содержит первичную обмотку первого трансформатора, начало которой соединено с анодом первого диода, катод которого соединен с анодом второго диода, катод которого соединен со стоком первого МДП-транзистора с n-каналом, затвор которого является входом для управляющего сигнала U_упр1, исток которого соединен со вторым входом преобразователя. Начало первичной обмотки второго трансформатора соединено с анодом третьего диода, катод которого соединен с анодом четвертого диода, катод которого соединен со стоком второго МДП-транзистора с n-каналом, затвор которого является входом для управляющего сигнала U_упр2, исток которого соединен с первым входом преобразователя. Входной конденсатор подключен параллельно входам преобразователя. Первый вывод накопительного конденсатора подключен между катодом первого диода и анодом второго диода, второй вывод накопительного конденсатора подключен между катодом третьего диода и анодом четвертого диода. Начало вторичной обмотки первого трансформатора подключено к положительному выходу преобразователя, а конец подключен к отрицательному выходу преобразователя. Первый вывод выходного конденсатора подключен к положительному выходу преобразователя, второй вывод выходного конденсатора к отрицательному выходу преобразователя.

Изобретение поясняется схемами:

фиг. 1 - Структурная схема преобразования переменного напряжения в постоянное;

фиг. 2 - Временная диаграмма управления транзисторами в зависимости от входного и выходного напряжения преобразователя;

фиг. 3 - Форма токов в обмотках трансформаторов и форма выходного напряжения преобразователя в при подаче управляющих импульсов на транзисторы.

Преобразователь переменного напряжения в постоянное содержит:

1.1 - первый вход преобразователя;

1.2 - второй вход преобразователя;

2 - входной конденсатор;

3 - выходной конденсатор;

4 - накопительный конденсатор;

5 - первый МДП-транзистор с n-каналом;

6 - второй МДП-транзистор с n-каналом;

7.1 - первичная обмотка первого трансформатора;

7.2 - вторичная обмотка первого трансформатора;

8 - первый диод;

9 - второй диод;

10.1 - первичная обмотка второго трансформатора;

10.2 - вторичная обмотка второго трансформатора;

11 - третий диод;

12 - пятый диод;

13.1 - положительный выход преобразователя;

13.2 - отрицательный выход преобразователя.

14 - четвертый диод;

Функционирование заявляемого преобразователя переменного напряжения в постоянное происходит следующим образом.

В начальный момент времени входное напряжение преобразователя на входах 1.1 и 1.2 равно 0. Входной конденсатор 2, выходной конденсатор 3 и накопительный конденсатор 4 - заряжены. Далее величина напряжения начинает увеличивается. На затвор МДП-транзистора с n-каналом 5 подается сигнал управления U_упр1, частота импульсов которого зависит от входного и выходного напряжения преобразователя и регулируется контроллером управления, как показано на фигуре 2. На затвор МДП-транзистора с n-каналом 6 подается сигнал управления U_упр2, который на протяжении всей положительной полуволны входного напряжения равен напряжению включения транзистора. В момент времени, когда значение сигнала управления U_упр1 равно напряжению включения транзистора, сопротивление канала МДП-транзистора с n-каналом 5 уменьшается, вследствие чего по цепи вход преобразователя 1.1 - первичная обмотка трансформатора 7.1 - диод 8 - диод 9 - МДП-транзистора с n-каналом 5 - вход 1.2 начинает протекать ток. Одновременно с этим по цепи диод 9 - МДП-транзистор с n-каналом 5 - первичная обмотка трансформатора 10.1 - диод 11 происходит разряд накопительного конденсатора 4. В то же время происходит разряд входного конденсатора 2 по цепи первичная обмотка трансформатора 7.1 - диод 8 -диод 9 - МДП-транзистора с n-каналом 5. Так как в этот момент выпрямительный диод 12 закрыт, энергия накапливается в первом и втором трансформаторе, а выходной конденсатор 3 разряжается в нагрузку по цепи выход преобразователя 13.1 - выход преобразователя 13.2. После перехода сигнала U_упр1 в выключенное состояние, МДП-транзистор с n-каналом 5 закрывается, напряжение в первичной обмотке трансформатора 7.1 и первичной обмотке трансформатора 10.1 меняет полярность, ток во вторичной обмотке трансформатора 7.2 и во вторичной обмотке трансформатора 10.2 начинает протекать через выпрямительный диод 12, заряжать выходной конденсатор 3 и течь в нагрузку через выход преобразователя 13.1, нагрузку, выход преобразователя 13.2. Энергия, запасенная в индуктивности рассеивания первой обмотки трансформатора 7.1, через диод 8 восстанавливается в накопительный конденсатор 4. Энергия, запасенная в индуктивности рассеивания первичной обмотки трансформатора 10.1, через диод 11, диод 14, МДП-транзистор с n-каналом 6 восстанавливается в входной конденсатор 2. В то же время входной конденсатор 2 заряжается через вход преобразователя 1.1 и вход преобразователя 1.2.

Входное напряжение меняет полярность. Далее величина напряжения начинает уменьшаться. На затвор МДП-транзистора с n-каналом 6 подается сигнал управления U_упр2, частота импульсов которого зависит от входного и выходного напряжения преобразователя и регулируется контроллером управления, как показано на фигуре 2. На затвор МДП-транзистора с n-каналом 5 подается сигнал управления U_упр1, который на протяжении всей отрицательной полуволны входного напряжения равен напряжению включения транзистора. В момент времени, когда значение сигнала управления U_упр2 равно напряжению включения транзистора, сопротивление канала МДП-транзистора с n-каналом 6 уменьшается, вследствие чего по цепи вход преобразователя 1.2 - первичная обмотка трансформатора 10.1 - диод 11 - диод 14 - МДП-транзистор с n-каналом 6 - вход 1.1 начинает протекать ток. Одновременно с этим по цепи диод 14 - МДП-транзистора с n-каналом 6 - первичная обмотка трансформатора 7.1 - диод 8 происходит разряд накопительного конденсатора 4. В то же время происходит разряд входного конденсатора 2 по цепи первичная обмотка трансформатора 10.1 - диод 11 - диод 14 - МДП-транзистора с n-каналом 6. Так как выпрямительный диод 12 закрыт, энергия накапливается в первом и втором трансформаторе, а выходной конденсатор 3 разряжается в нагрузку по цепи выход преобразователя 13.1 - выход преобразователя 13.2. После перехода сигнала U_упр2 в выключенное состояние, МДП-транзистор с n-каналом 6 закрывается, напряжение в первичной обмотке трансформатора 7.1 и первичной обмотке трансформатора 10.1 меняет полярность, ток во вторичной обмотке трансформатора 7.2 и во вторичной обмотке трансформатора 10.2 начинает протекать через выпрямительный диод 12, начинает заряжать выходной конденсатор 3 и течь в нагрузку через выход преобразователя 13.1, нагрузку, выход преобразователя 13.2. Энергия, запасенная в индуктивности рассеивания первой обмотки трансформатора 10.1, через диод 11 восстанавливается в накопительный конденсатор 4. Энергия, запасенная в индуктивности рассеивания первой обмотки трансформатора 7.1, через диод 8, диод 9, МДП-транзистор с n-каналом 5 восстанавливается во входной конденсатор 2.

Повышение КПД в предлагаемом устройстве достигается за счет отсутствия входного выпрямительного диодного моста, тем самым уменьшая общее количество полупроводниковых элементов, по которым протекает входной ток преобразователя, и уменьшая падение напряжения на преодоление их р-n переходов, и за счет отсутствия выходного сглаживающего дросселя, потери на котором обусловлены падением напряжения на его омическом сопротивлении и затратами энергии на создание потока рассеивания и заряд паразитных емкостей.

Повышение надежности в предлагаемом устройстве достигается за счет уменьшения общего количества элементов, а также улучшения условий работы транзисторов с помощью схемы поглощения выброса энергии, накопленной индуктивностями рассеивания первичных обмоток трансформаторов.

Таким образом, использование предложенного технического решения в качестве преобразователя переменного напряжения в постоянное за счет организации преобразователя для каждой половины периода входного переменного напряжения отдельно позволяет увеличить надежность и повысить коэффициент полезного действия.

Claims

Преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий первый и второй входы преобразователя, первичную обмотку первого трансформатора, начало которой соединено с анодом первого диода, катод которого соединен с первым выводом накопительного конденсатора, первый МДП-транзистор с n-каналом, затвор которого является входом для управляющего сигнала U_упр1, сток которого соединен с катодом второго диода, первичную обмотку второго трансформатора, вторичную обмотку первого трансформатора, выходной конденсатор, первый вывод которого соединен с положительным выходом преобразователя, второй вывод которого соединен с отрицательным выходом преобразователя, вторичную обмотку второго трансформатора, начало которой соединено с анодом пятого диода, конец которой соединен с отрицательным выходом преобразователя, отличающийся тем, что исток первого МДП-транзистора с n-каналом соединен с вторым входом преобразователя, конец первичной обмотки второго трансформатора соединен со вторым входом преобразователя, конец первичной обмотки первого трансформатора соединен с первым входом преобразователя, начало вторичной обмотки первого трансформатора соединено с положительным выходом преобразователя, конец вторичной обмотки первого трансформатора соединен с катодом пятого диода, анод второго диода соединен с катодом первого диода, добавлен дополнительный входной конденсатор, первый вывод которого соединен с первым входом преобразователя, второй вывод которого соединен со вторым входом преобразователя, добавлен дополнительный МДП-транзистор с n-каналом, затвор которого является входом для управляющего сигнала U_упр2, исток которого соединен с первым входом преобразователя, сток которого соединен с катодом дополнительно добавленного четвертого диода, анод которого, в свою очередь, соединен со вторым выводом накопительного конденсатора, добавлен дополнительный третий диод, катод которого соединен со вторым выводом накопительного конденсатора, а анод соединен с началом первичной обмотки второго трансформатора.