Импульсный регулятор постоянного напряжения

Изобретение относится к области силовой электроники и может быть использовано, например, в источниках питания для многоуровневых автономных инверторов напряжения, электротехнологических установок микродугового оксидирования вентильных металлов и сплавов, электроэрозионной обработки сверхтвердых металлов, электроавтомобилей, устройств с питанием от солнечных батарей и др.

Известно устройство импульсного регулятора постоянного напряжения (В.И. Антонов, Б.А. Глебов Импульсный регулятор напряжения, патент на изобретение РФ №2653580, МПК Н02М 1/16, Н02М 1/42, Н02М 3145, G05F 1/70 бюл. №14, 15.05.2018 г.) содержащий силовые транзисторы, силовые управляемые ключи, линейный трансформатор с тремя обмотками, дополнительный дроссель, в цепь которого и обмоток трансформатора включены силовые транзисторные диоды, конденсаторы входного и выходного фильтров, связанные с выводами обмоток трансформатора, дросселем и нагрузкой.

Недостатками данного импульсного регулятора напряжения являются повышенная сложность и снижение КПД регулятора из-за повышенного числа силовых диодов, транзисторов, числа обмоток трансформатора и дросселя, особенно на повышенных частотах и при получении повышенного напряжения на нагрузке, относительно низкий коэффициент передачи первичного напряжения.

Устройством, наиболее близким к предлагаемому, является 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 источника питания, входного реактора, подключенного первым выводом к плюсовой клемме входного источника питания, а вторым выводом к первому выводу последовательной цепи, содержащей буферный конденсатор, выходной реактор и подключенной вторым выводом к минусовой клемме входного источника питания, силового транзистора, подключенного коллектором к первому выводу последовательной цепи, эмиттером к минусовой клемме входного источника питания, а затвором к драйверу управления, нагрузочной цепи, содержащей нагрузку, накопительный конденсатор и подключенной через силовой диод параллельно выходному реактору.

Недостатками данного регулятора являются относительно низкий коэффициент передачи первичного напряжения, один вывод выходного напряжения, снижение КПД из-за повышенных потерь при получении высоких значений напряжения на нагрузке.

Задача изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение КПД устройства.

Технический результат - увеличение коэффициента передачи первичного напряжения К_п.н.=U_вых/U_вх в среднем в два раза, увеличение числа нагрузок с различными уровнями выходного напряжения относительно входного без использования дополнительных силовых управляемых ключей (транзисторов), что позволяет расширить функциональные возможности, упростить конструкцию и повысить КПД устройства при получении высоких значений напряжения на нагрузке.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что импульсный регулятор постоянного напряжения, состоящий из входного источника питания, входного реактора, подключенного первым выводом к плюсовой клемме входного источника питания, а вторым выводом к первому выводу последовательной цепи, содержащей буферный конденсатор, выходной реактор и подключенной вторым выводом к минусовой клемме входного источника питания, силового транзистора, подключенного коллектором к первому выводу последовательной цепи, эмиттером к минусовой клемме входного источника питания, а затвором к драйверу управления, нагрузочной цепи, содержащей нагрузку, накопительный конденсатор и подключенной через силовой диод параллельно выходному реактору, в отличие от прототипа, содержит вторую последовательную цепь со вторым буферным конденсатором, вторым реактором и второй нагрузочной цепью, третий конденсатор и третью нагрузку, при этом первый вывод второго реактора подключен непосредственно к общей клемме соединения второго вывода входного реактора, первого вывода первого буферного конденсатора и коллектора силового транзистора, а второй вывод, которого подключен к минусовой клемме входного источника питания через второй буферный конденсатор, третий конденсатор одним выводом подключен к минусовой клемме накопительного конденсатора второй нагрузочной цепи, другим к плюсовой клемме накопительного конденсатора первой нагрузочной цепи, а третья нагрузка подключена между минусовой клеммой входного источника питания и плюсовой клеммой накопительного конденсатора второй нагрузочной цепи.

Существо изобретения поясняется рис. 1, на которой изображена схема импульсного регулятора постоянного напряжения.

Импульсный регулятор постоянного напряжения содержит входной источник питания постоянного напряжения 1, плюсовая клемма которого соединена с первым выводом входного реактора 2, а между вторым выводом и общей минусовой клеммой источника питания 1 подключен совмещенный (или полевой) транзистор 3, к затвору которого подключен выход блока управления (драйвера) 4. Параллельно транзистору 3 подключены две последовательные цепочки, состоящие из первого буферного конденсатора 5, первого выходного реактора 6 и второго буферного конденсатора 7, второго выходного реактора 8, причем параллельно первому 6 и второму 8 выходным реакторам через диоды 9 и 10 подключены две нагрузочные цепи, состоящие соответственно из параллельно соединенных конденсаторов 11 и 12 с нагрузками 13 и 14, причем между минусовой клеммой второй нагрузочной цепи 12, 14 и плюсовой клеммой первой нагрузочной цепи 11, 13 подключен третий конденсатор 15, а третья нагрузка 16 подключена между минусовой клеммой входного источника питания 1 и плюсовой клеммой накопительного конденсатора 12 второй нагрузочной цепи, при этом нагрузки 13, 14, 16 подключены к накопительным конденсаторам через индивидуальные выключатели 17, 18, 19, позволяющие выполнять независимую коммутацию нагрузок 13, 14, 16.

Устройство работает следующим образом: управление импульсным регулятором осуществляется с помощью драйвера управления 4, при этом используется широтно-импульсный режим, то есть при постоянной частоте (периоде Т) отпирания транзистора 3, в процессе регулирования, изменяется только длительность (t_u) открытого состояния транзистора. Входной ток I_вх источника питания 1, в процессе работы регулятора, течет непрерывно, как при закрытом, так и при открытом транзисторе 3. При этом в интервале закрытого состояния транзистора 3 заряжаются буферные конденсаторы 5 и 7 соответственно через выходные реакторы 6и 8 с полярностью указанной на рис. 1, где направление тока заряда через реакторы 6 и 8 показано пунктирной стрелкой. В интервале открытого состояния транзистора 3 буферные конденсаторы 5 и 7 разряжаются через выходные реакторы 6 и 8 и при напряжении на них выше, чем на конденсаторах 11, 12 включаются соответственно диоды 9 и 10, заряжая накопительные конденсаторы 11 и 12 и питая цепи нагрузок 13 (U₁), 14 (U₂), 16 (U₃). Разделительный конденсатор 15 позволяет потенциально развязать минусовой вывод нагрузки 14 от плюсового вывода нагрузки 13, при этом выполняет и роль накопительного конденсатора совместно с конденсаторами 11, 12 для нагрузки 16. Полярность конденсатора 15 показана на рис. 1 при t_u=0÷0,5Т, причем при t_u=0,5T U₁₅→0, несколько возрастая при t_u→0, что позволяет дополнительно повысить К_пн для U₃ при малых значения t_u. В результате напряжение U₃ на нагрузке 16 более чем в два раза выше, чем у прототипа при любых реальных значениях t_u/T.

Заявляемое изобретение позволяет повысить коэффициент передачи первичного напряжения в два раза, расширить функциональные возможности за счет увеличения числа нагрузок с различными регулируемыми уровнями напряжения на нагрузках без использования дополнительных силовых транзисторов (ключей), повысить КПД устройства при получении особенно высоких значений напряжений на нагрузках.