Результат интеллектуальной деятельности: ОБРАТНОХОДОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)

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

Все приведенные аналоги являются аналогами для всех вариантов обратноходового преобразователя напряжения.

Известен обратноходовой преобразователь из патента US 14764321 с датой приоритета 30.01.2013 г., содержащий положительный и отрицательный входы преобразователя, входной конденсатор, первый и второй МДП - транзисторы с n - каналом, первичную и вторичную обмотки трансформатора, накопительный конденсатор, ограничительный резистор, первый и второй диоды, выходной конденсатор, положительный и отрицательный выходы преобразователя. Входной конденсатор подключен между положительным и отрицательным входом преобразователя, конец первичной обмотки трансформатора соединен с положительным входом преобразователя, начало первичной обмотки трансформатора соединено со стоком первого МДП - транзистора с n - каналом, затвор которого является входом для управляющего сигнала G_Q1, исток которого соединен с отрицательным входом преобразователя. Исток второго МДП - транзистора с n - каналом соединен с истоком первого МДП - транзистора с n - каналом, затвор второго МДП - транзистора с n - каналом является входом для управляющего сигнала G_Q2, и соединен с началом первичной обмотки трансформатора, сток второго МДП - транзистора с n - каналом соединен с первым выводом ограничительного резистора, второй вывод которого соединен с положительным выводом накопительного конденсатора, отрицательный вывод которого соединен с положительным входом преобразователя. Анод первого диода соединен с началом первичной обмотки трансформатора, катод первого диода соединен с положительным выводом накопительного конденсатора. Начало вторичной обмотки трансформатора соединено с анодом второго диода, катод второго диода соединен с положительным выходом преобразователя. Конец вторичной обмотки трансформатора соединен с отрицательным выходом преобразователя. Положительный вывод выходного конденсатора соединен с положительным выходом преобразователя, отрицательный вывод выходного конденсатора соединен с отрицательным выходом преобразователя.

Недостатком данного решения является низкий КПД преобразователя: энергия рассеивания индуктивности первичной обмотки трансформатора, запасаемая в накопительном конденсаторе, выделяется в виде тепла на ограничительном резисторе во время его разряда по цепи МДП - транзистора с n - каналом.

Известен обратноходовой преобразователь постоянного напряжения в постоянное из патента RU 32331 с датой приоритета 15.05.2003 (прототип), содержащий положительный и отрицательный входы преобразователя, резистивный делитель напряжения, первый и второй МДП - транзисторы с n - каналом, первичную и вторичную обмотку трансформатора, первый и второй конденсаторы, первый, второй и третий выпрямительные диоды, выходной конденсатор, положительный и отрицательный выходы преобразователя. Начало первичной обмотки трансформатора подключено к положительному входу преобразователя, конец первичной обмотки трансформатора соединен со стоком первого МДП - транзистора с n - каналом, затвор которого является входом для управляющего сигнала, исток которого соединен с отрицательным входом преобразователя. Катод первого диода соединен со стоком первого МДП - транзистора с n - каналом, а анод - с истоком первого МДП - транзистора с n - каналом. Сток второго МДП - транзистора с n - каналом соединен с положительным входом преобразователя, затвор которого является входом для выхода резистивного делителя напряжения, исток которого соединен с первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого соединен с первым выводом ограничительного резистора, второй вывод которого соединен со стоком первого МДП - транзистора с n - каналом. Катод третьего диода соединен со стоком, а анод третьего диода соединен с истоком второго МДП - транзистора с n - каналом. Первый вход резистивного делителя напряжения соединен с первым выводом первого конденсатора, второй вход резистивного делителя напряжения соединен со вторым выводом первого конденсатора. Начало вторичной обмотки трансформатора соединено с анодом второго диода, катод которого соединен с положительным выходом преобразователя. Начало вторичной обмотки трансформатора соединено с отрицательным выходом преобразователя. Положительный вывод выходного конденсатора соединен с положительным выходом преобразователя, отрицательный вывод выходного конденсатора соединен с отрицательным выходом преобразователя.

Недостатками данного устройства являются низкий КПД и сложность подбора элементов для резисторного делителя. Низкий КПД обусловлен тем, что энергия рассеивания индуктивности первичной обмотки трансформатора, запасаемая в накопительном конденсаторе, выделяется в виде тепла на ограничительном резисторе во время его разряда по цепи МДП - транзистора. Сложность подбора элементов для резисторного делителя обусловлена тем, что для правильного функционирования устройства необходимо подобрать сочетание резисторов, обеспечивающее надежное и своевременное включение и выключение второго МДП - транзистора при минимальном снижении КПД устройства.

Технической проблемой, решение которой обеспечивается при использовании предлагаемого устройства, является низкая эффективность устройства в отношении преобразования или передачи энергии.

Технический результат заявляемого решения заключается в повышении коэффициента полезного действия за счет того, что энергия рекуперации индуктивностей рассеивания полностью используется повторно при разряде первого и второго конденсатора в такте намагничивания трансформатора, а также увеличивается площадь поверхности проводника и уменьшается влияние скин-эффекта за счет использования трансформатора с двумя первичными обмотками.

Технический результат в первом варианте обеспечивается тем, что обратноходовой преобразователь напряжения содержит положительный и отрицательный входы обратноходового преобразователя напряжения, МДП - транзистор с n - каналом, первую и вторую первичные обмотки трансформатора, вторичную обмотку трансформатора, первый и второй конденсаторы, первый и второй выпрямительные диоды, выходной конденсатор, положительный и отрицательный выходы обратноходового преобразователя напряжения. Начало второй первичной обмотки трансформатора подключено к положительному входу обратноходового преобразователя напряжения, конец второй первичной обмотки трансформатора соединен с анодом первого выпрямительного диода, катод которого соединен началом первой первичной обмотки трансформатора, конец первой первичной обмотки трансформатора соединен со стоком МДП - транзистора с n - каналом, затвор которого является входом для управляющего сигнала, исток которого соединен с отрицательным входом обратноходового преобразователя напряжения. Второй вывод первого конденсатора соединен с началом второй первичной обмотки трансформатора, а первый вывод первого конденсатора соединен с анодом первого выпрямительного диода. Первый вывод второго конденсатора соединен с концом первой первичной обмотки трансформатора, а второй вывод второго конденсатора соединен с концом второй первичной обмотки трансформатора. Начало вторичной обмотки трансформатора соединено с отрицательным выходом обратноходового преобразователя напряжения. Конец вторичной обмотки трансформатора соединен с анодом второго выпрямительного диода, катод которого соединен с положительным выходом преобразователя. Первый вывод выходного конденсатора соединен с положительным выходом обратноходового преобразователя напряжения, второй вывод выходного конденсатора соединен с отрицательным выходом обратноходового преобразователя напряжения.

Технический результат во втором варианте обеспечивается тем, что обратноходовой преобразователь напряжения содержит положительный и отрицательный входы обратноходового преобразователя напряжения, МДП - транзистор с n - каналом, первую и вторую первичные обмотки трансформатора, вторичную обмотку трансформатора, первый и второй конденсаторы, первый выпрямительный диод, n изолирующих трансформаторов (n - натуральное число, n≥1), каждый из которых содержит одну первичную и одну вторичную обмотку трансформаторов, n вторых выпрямительных диодов, n выходных конденсаторов, n положительных и n отрицательных выходов обратноходового преобразователя напряжения. Начало второй первичной обмотки трансформатора подключено к положительному входу обратноходового преобразователя напряжения, конец второй первичной обмотки трансформатора соединен с анодом выпрямительного диода, катод которого соединен с началом первой первичной обмотки трансформатора, конец первой первичной обмотки трансформатора соединен со стоком МДП - транзистора с n - каналом, затвор которого является входом для управляющего сигнала, исток которого соединен с отрицательным входом обратноходового преобразователя напряжения. Первый вывод первого конденсатора соединен с анодом первого выпрямительного диода, а второй вывод первого конденсатора соединен с началом первой первичной обмотки трансформатора. Первый вывод второго конденсатора соединен с концом второй первичной обмотки трансформатора, а второй вывод второго конденсатора соединен с концом первой первичной обмотки трансформатора. Начало вторичной обмотки трансформатора соединено с концом первичной обмотки каждого из n изолирующих трансформаторов, конец вторичной обмотки трансформатора соединен с началом первичной обмотки каждого из n изолирующих трансформаторов. Конец вторичной обмотки каждого изолирующего трансформатора соединен с соответствующим отрицательным выходом обратноходового преобразователя напряжения. Начало вторичной обмотки каждого изолирующего трансформатора соединено с анодом соответствующего второго выпрямительного диода, катод которого соединен с соответствующим положительным выходом обратноходового преобразователя напряжения. Первый вывод каждого выходного конденсатора соединен с соответствующим положительным выходом обратноходового преобразователя напряжения, второй вывод каждого выходного конденсатора соединен с соответствующим отрицательным выходом обратноходового преобразователя напряжения.

В схему по второму варианту исполнения могут быть добавлены первый, второй и n третьих токоограничительных резисторов. Первый токоограничительный резистор может быть подключен между положительным входом обратноходового преобразователя напряжения и началом второй первичной обмотки трансформатора. Второй токоограничительный резистор может быть подключен между катодом первого выпрямительного диода и началом первой первичной обмотки трансформатора. Каждый из n третьих токоограничительных резисторов подключен между концом вторичной обмотки трансформатора и началом первичной обмотки соответствующего изолирующего трансформатора. Введение в схему токоограничительных резисторов позволяет ограничить скорость нарастания тока, что приводит к снижению величины электромагнитных помех, создаваемых преобразователем.

На фиг. 1 представлена структурная схема обратноходового преобразователя напряжения по первому варианту, где:

1.1 - положительный вход обратноходового преобразователя напряжения;

1.2 - отрицательный вход обратноходового преобразователя напряжения;

2 - МДП - транзистор с n - каналом;

3.1 - первая первичная обмотка трансформатора;

3.2 - вторая первичная обмотка трансформатора;

3.3 - вторичная обмотка трансформатора;

4 - первый конденсатор;

5 - второй конденсатор;

6 - первый выпрямительный диод;

7 - второй выпрямительный диод;

8 - выходной конденсатор;

9.1 - положительный выход обратноходового преобразователя напряжения;

9.2 - отрицательный выход обратноходового преобразователя напряжения.

На фиг. 2 представлена структурная схема обратноходового преобразователя напряжения по второму варианту, где:

10.1 - положительный вход обратноходового преобразователя напряжения;

10.2 - отрицательный вход обратноходового преобразователя напряжения;

11 - МДП - транзистор с n - каналом;

12.1 - первая первичная обмотка трансформатора;

12.2 - вторая первичная обмотка трансформатора;

12.3 - вторичная обмотка трансформатора;

13 - первый конденсатор;

14 - второй конденсатор;

15 - первый выпрямительный диод;

16.1.1 - 16.n.1 - первичные обмотки изолирующих трансформаторов;

16.2.1 - 16.n.2 - вторичные обмотки изолирующих трансформаторов;

17.1 - 17.n - вторые выпрямительные диоды;

18.1 - 18.n - выходные конденсаторы;

19.1 - 19.n - положительные выходы обратноходового преобразователя напряжения;

20.1 - 20.n - отрицательные выходы обратноходового преобразователя напряжения;

21 - первый токоограничительный резистор;

22 - второй токоограничительный резистор;

23.1 - 23.n - третьи токоограничительные резисторы.

Обратноходовой преобразователь по первому варианту содержит положительный (1.1) и отрицательный (1.2) входы обратноходового преобразователя напряжения, МДП - транзистор с n - каналом (2), первую (3.1) и вторую (3.2) первичные обмотки трансформатора, вторичную обмотку трансформатора (3.3), первый (4) и второй (5) конденсаторы, первый (6) и второй (7) выпрямительные диоды, выходной конденсатор (8), положительный (9.1) и отрицательный (9.2) выходы обратноходового преобразователя напряжения. Начало второй первичной обмотки трансформатора (3.2) подключено к положительному входу обратноходового преобразователя напряжения (1.1), конец второй первичной обмотки трансформатора (3.2) соединен с анодом первого выпрямительного диода (6), катод которого соединен началом первой первичной обмотки трансформатора (3.1), конец первой первичной обмотки трансформатора (3.1) соединен со стоком МДП - транзистора с n - каналом (2), затвор которого является входом для управляющего сигнала, исток которого соединен с отрицательным входом обратноходового преобразователя напряжения (1.2). Первый вывод первого конденсатора (4) соединен с началом второй первичной обмотки трансформатора (3.2), а второй вывод первого конденсатора (4) соединен с началом второй первичной обмотки трансформатора (3.2). Второй вывод второго конденсатора (5) соединен с концом первой первичной обмотки трансформатора (3.1), а первый вывод второго конденсатора (5) соединен с анодом первого выпрямительного диода (6). Начало вторичной обмотки трансформатора (3.3) соединено с отрицательным выходом обратноходового преобразователя напряжения (9.2). Конец вторичной обмотки трансформатора (3.3) соединен с анодом второго выпрямительного диода (7), катод которого соединен с положительным выходом преобразователя (9.1). Первый вывод выходного конденсатора (8) соединен с положительным выходом обратноходового преобразователя напряжения (9.1), второй вывод выходного конденсатора (8) соединен с отрицательным выходом обратноходового преобразователя напряжения.

Обратноходовой преобразователь напряжения по второму варианту содержит положительный (10.1) и отрицательный (10.2) входы обратноходового преобразователя напряжения, МДП - транзистор с n - каналом (11), первую (12.1) и вторую (12.2) первичные обмотки трансформатора, вторичную обмотку трансформатора (12.3), первый (13) и второй (14) конденсаторы, первый выпрямительный диод (15), n изолирующих трансформаторов (16) (n - натуральное число, n≥1), каждый из которых содержит одну первичную (16.1.1 - 16.n.1) и одну вторичную (16.1.2 - 16.n.2) обмотку трансформаторов, n вторых выпрямительных диодов (17.1 - 17.n), n выходных конденсаторов (18.1-18.n), n-й положительных (19.1-19.n) и n отрицательных (20.1-20.n) выходов обратноходового преобразователя напряжения. Начало второй первичной обмотки трансформатора (12.2) подключено к положительному входу обратноходового преобразователя напряжения (10.1), конец второй первичной обмотки трансформатора (12.2) соединен с анодом выпрямительного диода (15), катод которого соединен с началом первой первичной обмотки трансформатора (12.1), конец первой первичной обмотки трансформатора (12.1) соединен со стоком МДП - транзистора с n - каналом (11), затвор которого является входом для управляющего сигнала, исток которого соединен с отрицательным входом обратноходового преобразователя напряжения (10.2). Первый вывод первого конденсатора (13) соединен с анодом первого выпрямительного диода (15), а второй вывод первого конденсатора (13) соединен с началом первой первичной обмотки трансформатора (12.1). Первый вывод второго конденсатора (14) соединен с концом второй первичной обмотки трансформатора (12.2), а второй вывод второго конденсатора (14) соединен с концом первой первичной обмотки трансформатора (12.1). Начало вторичной обмотки трансформатора (12.3) соединено с концом первичной обмотки каждого из n изолирующих трансформаторов (16.1.1-16.1.n), конец вторичной обмотки трансформатора (12.3) соединен с началом первичной обмотки каждого из n изолирующих трансформаторов (16.1.1-16.1.n). Конец вторичной обмотки каждого изолирующего трансформатора (16.1.2-16.n.2) соединен с соответствующим отрицательным выходом обратноходового преобразователя напряжения (20.1-20.п). Начало вторичной обмотки каждого изолирующего трансформатора (16.1.1-16.n.1) соединено с анодом соответствующего второго выпрямительного диода (17.1-17.n), катод которого соединен с соответствующим положительным выходом обратноходового преобразователя напряжения (19.1-19.n). Первый вывод каждого выходного конденсатора (18.1-18.n) соединен с соответствующим положительным выходом обратноходового преобразователя напряжения (19.1-19.n), второй вывод каждого выходного конденсатора (18.1-18.n) соединен с соответствующим отрицательным выходом обратноходового преобразователя напряжения (20.1-20.n).

В схему по второму варианту исполнения могут быть добавлены токоограничительные резисторы (21), (22), (23.1-23.n). Первый токоограничительный резистор (21) может быть подключен между положительным входом обратноходового преобразователя напряжения (10.1) и началом второй первичной обмотки трансформатора (12.2). Второй токоограничительный резистор (22) может быть подключен между катодом первого выпрямительного диода (15) и началом первой первичной обмотки трансформатора (12.1). Каждый из n третьих токоограничительных резисторов (23.1-23.n) подключен между концом вторичной обмотки трансформатора (12.3) и началом первичной обмотки соответствующего изолирующего трансформатора (16.1.1-16.n.1).

Функционирование заявляемого преобразователя обратноходового преобразователя напряжения происходит следующим образом.

В рассматриваемый установившийся момент времени напряжение входного источника постоянного тока стабилизировано и не равно нулю.

По первому варианту исполнения выходной конденсатор (8) заряжен.

В первом такте Т1 на затвор МДП - транзистора с n - каналом (2) подается сигнал управления U_упр, частота импульсов которого зависит от входного, выходного напряжений и выходного тока обратноходового преобразователя напряжения и регулируется контроллером управления. В момент времени, когда значение сигнала управления U_упр равно напряжению включения транзистора, сопротивление канала МДП - транзистора с n - каналом (2) уменьшается, вследствие чего по цепи положительный вход обратноходового преобразователя напряжения (1.1) - первый конденсатор (4) - первая первичная обмотка трансформатора (3.1) - МДП - транзистор с n - каналом (2) - отрицательный вход преобразователя (1.2) начинает протекать ток. Одновременно с этим по цепи положительный вход обратноходового преобразователя напряжения (1.1) - вторая первичная обмотка трансформатора (3.2) - второй конденсатор (5) - МДП - транзистор с n - каналом (2) - отрицательный вход обратноходового преобразователя напряжения (1.2) также начинает протекать ток. Протекание тока в нагрузку поддерживается с помощью энергии, накопленной в выходном конденсаторе (8) по цепи: выходной конденсатор (8) - положительный выход обратноходового преобразователя напряжения (9.1) - нагрузка отрицательный выход обратноходового преобразователя напряжения (9.2).

Во втором такте Т2 после перехода сигнала U_упр в выключенное состояние, МДП - транзистор с n - каналом (2) закрывается. Энергия, запасенная в индуктивности второй первичной обмотки трансформатора 3.2 начинает протекать в виде тока по цепи: вторая первичная обмотка трансформатора 3.2 - первый выпрямительный диод 6 - первый конденсатор 4. Энергия, запасенная в индуктивности первой первичной обмотки трансформатора 3.1 начинает протекать в виде тока по цепи: первая первичная обмотка трансформатора 3.1 - второй конденсатор 5 - первый выпрямительный диод 6.

Энергия накопленная в индуктивности вторичной обмотки трансформатора 3.3 начинает протекать в виде тока в нагрузку по цепи: вторичная обмотка трансформатора 3.3 - второй выпрямительный диод 7 - положительный выход обратноходового преобразователя напряжения 9.1 -отрицательный выход обратноходового преобразователя напряжения 9.2, одновременно заряжая выходной конденсатор 8.

По второму варианту исполнения выходные конденсаторы 18.1, 18.2, …, 18.n заряжены.

В отличие от первого варианта, в первом такте Т1 протекание тока в соответствующую нагрузку поддерживается с помощью энергии накопленной в выходных конденсаторах (18.1 - 18.n) по цепи: выходной конденсатор (18.1 - 18.n) - соответствующий положительный выход обратноходового преобразователя напряжения (19.1 - 19.n) - соответствующая нагрузка - соответствующий отрицательный выход преобразователя (20.1 - 20.n). Во втором такте Т2, энергия накопленная в индуктивности вторичной обмотки трансформатора 12.3 начинает протекать в виде тока через первичные обмотки изолирующих трансформаторов (16.1.1 - 16.n.1), а далее в нагрузку по цепи: вторичные обмотки изолирующих трансформаторов (16.1.2 - 16.n.2) - вторые выпрямительные диоды (17.1 -17.n) - положительные выходы обратноходового преобразователя напряжения (19.1 - 19.n) - отрицательные выходы обратноходового преобразователя напряжения (20.1 - 20.n), одновременно заряжая выходные конденсаторы (18.1 - 18.n).

Повышение коэффициента полезного действия по первому варианту исполнения обеспечивается тем, что обратноходовой преобразователь напряжения содержит положительный и отрицательный входы обратноходового преобразователя напряжения, МДП - транзистор с n - каналом, первую и вторую первичные обмотки трансформатора, вторичную обмотку трансформатора, первый и второй конденсаторы, первый и второй выпрямительные диоды, выходной конденсатор, положительный и отрицательный выходы обратноходового преобразователя напряжения. Начало второй первичной обмотки трансформатора подключено к положительному входу обратноходового преобразователя напряжения, конец второй первичной обмотки трансформатора соединен с анодом первого выпрямительного диода, катод которого соединен началом первой первичной обмотки трансформатора, конец первой первичной обмотки трансформатора соединен со стоком МДП - транзистора с n - каналом, затвор которого является входом для управляющего сигнала, исток которого соединен с отрицательным входом обратноходового преобразователя напряжения. Второй вывод первого конденсатора соединен с началом второй первичной обмотки трансформатора, а первый вывод первого конденсатора соединен с анодом первого выпрямительного диода. Первый вывод второго конденсатора соединен с концом первой первичной обмотки трансформатора, а второй вывод второго конденсатора соединен с концом второй первичной обмотки трансформатора. Начало вторичной обмотки трансформатора соединено с отрицательным выходом обратноходового преобразователя напряжения. Конец вторичной обмотки трансформатора соединен с анодом второго выпрямительного диода, катод которого соединен с положительным выходом преобразователя. Первый вывод выходного конденсатора соединен с положительным выходом обратноходового преобразователя напряжения, второй вывод выходного конденсатора соединен с отрицательным выходом обратноходового преобразователя напряжения.

Повышение коэффициента полезного действия по второму варианту исполнения обеспечивается тем, что обратноходовой преобразователь напряжения содержит положительный и отрицательный входы обратноходового преобразователя напряжения, МДП - транзистор с n - каналом, первую и вторую первичные обмотки трансформатора, вторичную обмотку трансформатора, первый и второй конденсаторы, первый выпрямительный диод, n изолирующих трансформаторов (n - натуральное число, n≥1), каждый из которых содержит одну первичную и одну вторичную обмотку трансформаторов, n вторых выпрямительных диодов, n выходных конденсаторов, n положительных и n отрицательных выходов обратноходового преобразователя напряжения. Начало второй первичной обмотки трансформатора подключено к положительному входу обратноходового преобразователя напряжения, конец второй первичной обмотки трансформатора соединен с анодом выпрямительного диода, катод которого соединен с началом первой первичной обмотки трансформатора, конец первой первичной обмотки трансформатора соединен со стоком МДП - транзистора с n - каналом, затвор которого является входом для управляющего сигнала, исток которого соединен с отрицательным входом обратноходового преобразователя напряжения. Первый вывод первого конденсатора соединен с анодом первого выпрямительного диода, а второй вывод первого конденсатора соединен с началом первой первичной обмотки трансформатора. Первый вывод второго конденсатора соединен с концом второй первичной обмотки трансформатора, а второй вывод второго конденсатора соединен с концом первой первичной обмотки трансформатора. Начало вторичной обмотки трансформатора соединено с концом первичной обмотки каждого из n изолирующих трансформаторов, конец вторичной обмотки трансформатора соединен с началом первичной обмотки каждого из n изолирующих трансформаторов. Конец вторичной обмотки каждого изолирующего трансформатора соединен с соответствующим отрицательным выходом обратноходового преобразователя напряжения. Начало вторичной обмотки каждого изолирующего трансформатора соединено с анодом соответствующего второго выпрямительного диода, катод которого соединен с соответствующим положительным выходом обратноходового преобразователя напряжения. Первый вывод каждого выходного конденсатора соединен с соответствующим положительным выходом обратноходового преобразователя напряжения, второй вывод каждого выходного конденсатора соединен с соответствующим отрицательным выходом обратноходового преобразователя напряжения.