Импульсный регулятор постоянного напряжения

Изобретение относится к области силовой электроники и может быть использовано в регулируемых и стабилизированных источниках питания, например: многоуровневых автономных инверторов; установок микродугового оксидирования вентильных металлов и сплавов, электроэрозионной обработки сверхтвердых металлов, электроавтомобилей, устройств с питанием от солнечных батарей, а также в корректорах коэффициента мощности при питании от промышленной сети 50 Гц и др.

Известно устройство импульсного регулятора постоянного напряжения (В. Климов, С. Климова, Ю. Карпиленко. Корректоры коэффициента мощности однофазных источника бесперебойного питания. // Силовая электроника, 2009, №3. стр 40-42), состоящий из двух цепей, содержащих соединенные последовательно индуктивность, диоды, а также конденсаторы и управляющие транзисторы.

Недостатками такого устройства являются: повышенная сложность и относительно низкий коэффициент передачи первичного напряжения и КПД из-за повышенного числа транзисторов, диодов.

Известно также импульсный регулятор постоянного напряжения (Основы силовой электроники: Учеб. пособие. - Изд. 2-е, испр. и доп. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003, схема «SEPIC» рис. 7.2.13, стр. 355, состоящий из входного и дополнительного реакторов, буферного и накопительного конденсаторов, транзисторного ключа и диода, включенного последовательно в нагрузочную цепь.

Недостатками регулятора по схеме «SEPIC» рис. 7.2.13 являются: относительно низкий коэффициент передачи первичного напряжения, импульсный характер выходного тока регулятора и относительно повышенные потери при получении высоких напряжений на нагрузке.

Устройством, наиболее близким к предлагаемому является импульсный регулятор постоянного напряжения (Основы силовой электроники: Учеб. пособия. - Изд. 2-е, испр. и доп. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003, схема Гука рис. 7.2.11 стр. 353), состоящий из входного и дополнительного реакторов, буферного и накопительного конденсаторов, транзисторного ключа и диода, включенного параллельно цепи, состоящей из последовательно соединенных дополнительного реактора и нагрузочной цепи.

Недостатками данного регулятора являются: относительно низкий коэффициент передачи первичного напряжения, один вывод выходного напряжения с обратной полярностью относительно входного и повышенные потери при высоких значениях напряжения на нагрузке.

Задача изобретения - повышение коэффициента передачи напряжения первичного источника питания, расширение функциональных возможностей, упрощение конструкции и повышение КПД устройства.

Технический результат - увеличение коэффициента передачи первичного напряжения (К_п.н=U_вых/U_вх) более чем в два раза; увеличение числа выводов с различными полярностями и уровнями выходного напряжения относительно входного без использования дополнительных силовых управляемых ключевых элементов, что позволяет расширить функциональные возможности, упростить конструкцию и повысить КПД устройства при получение высоких значений напряжения на нагрузке.

Поставленная задача достигается тем, что импульсный регулятор постоянного напряжения, состоящий: из входного источника питания постоянного напряжения, последовательной цепи, подключенной к плюсовой и минусовой клеммам входного источника питания, состоящей из входного реактора, буферного конденсатора, выходного реактора, а также нагрузочной цепи, состоящей из накопительного конденсатора с параллельно соединенной нагрузкой; транзистора и диода, подключенных эмиттером транзистора и катодом диода к общей минусовой клемме входного источника питания, а коллектором транзистора и анодом диода, к клемме соединения входного реактора с первым выводом буферного конденсатора и анодом диода к клемме соединения входного реактора с вторым выводом буферного конденсатора и выводом выходного реактора, а управляющей вывод транзистора подключен к драйверу управления, в отличие от прототипа, содержит: дополнительную последовательную цепь, состоящую из второго буферного конденсатора и второго диода, при этом анод второго диода подключен к клемме соединения входного реактора с плюсовым выводом первого буферного конденсатора и коллектором транзистора, а катодом второго диода к плюсовой клемме соединения цепи нагрузки с плюсовым выводом второго буферного конденсатора, а минусовой вывод которого подключен к общей минусовой клемме соединения входного источника питания, а параллельно нагрузочной цепи включены две дополнительные, последовательно соединенные, нагрузки, общий вывод которых подключен к общей минусовой клемме входного источника питания, причем накопительный конденсатор для всех трех нагрузок выполнен из двух последовательно соединенных, конденсаторов и подключенных параллельно первой и дополнительным нагрузкам, а выходной реактор выполнен из двух магнитосвязанных секций, которые соединены между собой последовательно и включены в общие, соответственно, плюсовой и минусовой выводы всех трех нагрузочных цепей.

Существо изобретения поясняется чертежом, на котором изображена схема импульсного регулятора постоянного напряжения.

Импульсный регулятор постоянного напряжения (фиг.) содержит входной источник питания постоянного напряжения 1, например (выпрямитель, аккумуляторы, солнечные батареи и др.), плюсовая клемма которого соединения с входным реактором 2 между вторым выводом которого и общей минусовой клеммой источника 1 подключен совмещенный (или полевой) транзистор 3, параллельно которому подключены две последовательные цепочки, состоящие из первого буферного конденсатора 4, первого диода 5 и второго буферного конденсатора 6, второго диода 7, к общим клеммам соединения элементов 4, 5 и 6, 7 подключены первые выводы двух равных магнитосвязанных секций выходного реактора 8, вторые выводы которых подключены к двух последовательно соединенным накопительным конденсаторам 9, 10 и соответственно к минусовым и плюсовым выводам первой 11 и дополнительным 12, 13 нагрузкам, а общая клемма накопительного конденсатора 9, 10 соединена с общей минусовой (или плюсовой) клеммой входного источника питания и двух дополнительных нагрузок 12, 13. Управление импульсным регулятором осуществляется с помощью драйвера управления 14, выход которого подключен к затвору транзистора 3.

Устройство работает следующим образом: управление импульсным регулятором осуществляется с помощью драйвера управления 14, при этом используется широтно-импульсный режим, то есть при постоянной частоте отпирания транзистора 3, в процессе регулирования, изменяется только длительность открытого состояния транзистора. В интервале закрытого состояния транзистора 3, конденсаторы 4 и 6 заряжаются через диоды 5 и 7 до напряжения, несколько превышающего напряжения U_вх источника питания 1. Далее в интервале открытого состояния 3, диоды 5, 7 запираются и к трем нагрузочным цепям, состоящих из сопротивлений нагрузок 11, 12, 13 и общих для них накопительных конденсаторов 9, 10 прикладываются суммарные значения напряжения на буферных конденсаторах 4, 6, то есть (u4+u6) и происходит разряд (перезаряд) конденсаторов 4, 6 по цепи: транзистор 3, буферный конденсатор 6, выходной реактор 8 (первая секция), накопительные конденсаторы 10, 9 и нагрузки 11, 12, 13, вторая секция реактора 8 и буферный конденсатор 4. Далее транзистор 3 запирается и повторяется процесс заряда конденсаторов 4, 6. Так как процесс заряда 4, 6 носит колебательный характер, то, в общем случае (u4+u6)>2U_вх. В результате напряжение на нагрузках 11 и суммарное значение на нагрузках 12, 13 превышает более чем в два раза U_вх источника питания во всем диапазоне регулирования. Соединение общей минусовой клеммы входного источника питания 1 с общим выводом нагрузок 12, 13 позволяет получить разнополярные выходные напряжения -u12 и +u13 с различными уровнями.

Таким образом, заявляемое изобретение позволяет повысить коэффициент передачи первичного напряжения практически в два раза, тем самым расширить функциональные возможности за счет одновременного получения нескольких выводов с различными уровнями и полярностями выходных напряжений, повысить КПД устройства при получении высоких значений напряжения на нагрузке.