RU2125334C1

RU2125334C1 - Method for reverse pulsed conversion of dc voltage

Info

Publication number: RU2125334C1
Application number: RU96113937A
Authority: RU
Inventors: Борис Вениаминович Кабелев
Original assignee: Борис Вениаминович Кабелев
Priority date: 1996-07-12
Filing date: 1996-07-12
Publication date: 1999-01-20

Abstract

FIELD: electrical engineering; DC-to-DC voltage conversion. SUBSTANCE: during first phase of periodic process cycle, transformer magnetic energy and first capacitor energy increase as transformer is connected to power supply through closed control switch and first capacitor while energy of second capacitor connected to transformer by means of closed control switch decreases; during second phase of cycle, dose of magnetic energy of transformer obtained during first phase, second dose of energy of power supply and some portion of first capacitor energy are conveyed to load and increase energy of second capacitor with control switch held open and transformer connected by means of closed transmitting switch to power supply through second capacitor and to first capacitor. Newly introduced are definite switching delay circuits for controlling alternate change-over of semiconductor devices of switches; switching paths of these semiconductor devices are formed by connecting capacitors to them; in addition, half-cycle of capacitance loop fluctuations of first and second capacitors as well as of transformer inductances is set to be lower than that of second phase of cycle. Output energy of power supply is consumed during both phases of period; energies of transformer, first and second capacitors vary from their mean values and voltages across open control and transmitting switches do not exceed supply voltage and have spike-free flat-top trapezoidal waveform. EFFECT: improved safety of semiconductor device path and provision for obtaining several finely matched output channels. 2 cl, 2 dwg

Description

Способ импульсного обратноходового преобразования постоянного напряжения относится к электротехнике, в частности к преобразователям постоянного напряжения в постоянное и регуляторам напряжения, и может быть использован в системах электропитания и электропривода. The method of pulsed flyback DC voltage conversion relates to electrical engineering, in particular to DC to DC converters and voltage regulators, and can be used in power supply systems and electric drives.

Известен способ импульсного обратноходового преобразования постоянного напряжения, при котором увеличение энергии дросселя-трансформатора производится на этапе замкнутого состояния регулирующего ключа от источника питания, а на этапе разомкнутого состояния регулирующего ключа энергия дросселя-трансформатора частично или полностью предается в нагрузку через обратно включенный выпрямительный диод [Поликарпов А.Г., Сергиенко Е.Ф., Однотактные преобразования напряжения в устройствах электропитания РЭА, М., Радио и связь, 1989 г., с. 61, 67...68]. Недостатками данного способа являются пониженная эффективность преобразования из-за значительных потерь в дросселе-трансформаторе, так как мощность преобразования обеспечивается только пульсацией электромагнитной энергии этого основного компонента и частотой преобразования, и большая величина напряжения на разомкнутом регулирующем ключе, превышающая напряжение питания, с дополнительным коммутационным выбросом напряжения из-за неидеальной электромагнитной связи первичной и вторичной силовых обмоток и резким набросом тока в выпрямительный диод, а также трудность обеспечения безопасной траектории транзистора ключа. Это приводит к необходимости завышения установочной мощности силового ключа и дросселя-трансформатора для получения необходимой надежности, что приводит к ухудшению энергетических, массогабаритных и экономических показателей преобразователя. A known method of pulsed flyback DC voltage conversion, in which the energy of the inductor-transformer is increased at the stage of the closed state of the regulating key from the power source, and at the stage of the open state of the regulating key, the energy of the inductor-transformer is partially or completely transferred to the load through the reverse-connected rectifier diode [Polikarpov A.G., Sergienko E.F., Single-cycle voltage transformations in REA power supply devices, M., Radio and communication, 1989, p. 61, 67 ... 68]. The disadvantages of this method are the reduced conversion efficiency due to significant losses in the inductor-transformer, since the conversion power is provided only by the pulsation of the electromagnetic energy of this main component and the conversion frequency, and a large voltage value on the open control key, exceeding the supply voltage, with an additional switching surge voltage due to imperfect electromagnetic coupling of the primary and secondary power windings and a sharp surge in current in the rectifier The scintillating diode, as well as the difficulty of providing a safe path for the transistor of the key. This leads to the need to overestimate the installation power of the power switch and the inductor-transformer to obtain the necessary reliability, which leads to a deterioration in the energy, weight, size and economic performance of the converter.

Наиболее близким техническим решением является способ импульсного преобразования постоянного напряжения, при котором на этапе замкнутого состояния регулирующего транзисторного ключа производится увеличение магнитной энергии трансформатора, а также передача энергии источника питания через прямо включенный выпрямительный диод к нагрузке, а на этапе разомкнутого состояния регулирующего ключа магнитная энергия трансформатора передается в дополнительный конденсатор и через обратно включенный выпрямительный диод к нагрузке, куда также возвращается через вспомогательный транзисторный ключ полученная в начале этого этапа часть энергии дополнительного конденсатора. [Поликарпов А. Г. , Сергиенко Е.Ф., Однотактные преобразователи напряжения в устройствах электропитания РЭА, М., Радио и связь, 1989 г., с. 68...70]. Недостатком данного способа являются потребление энергии из источника питания только на первом этапе при замкнутом состоянии регулирующего ключа, увеличенное напряжение на разомкнутых регулирующем и вспомогательном ключах, превышающее напряжение питания, и необходимость фильтрующей индуктивности, включаемой после выпрямительных диодов, что усложняет выполнение многоканального преобразователя. The closest technical solution is the method of pulsed DC voltage conversion, in which at the closed stage of the regulating transistor switch the magnetic energy of the transformer is increased, as well as the energy of the power source is transmitted through the directly connected rectifier diode to the load, and at the open stage of the control key the magnetic energy of the transformer is transferred to an additional capacitor and through a reverse-connected rectifier diode to the load, where so the part of the energy of the additional capacitor obtained at the beginning of this stage returns through the auxiliary transistor switch. [Polikarpov A. G., Sergienko EF, Single-cycle voltage converters in power supply devices CEA, M., Radio and communications, 1989, p. 68 ... 70]. The disadvantage of this method is the energy consumption from the power source only at the first stage when the control switch is closed, the increased voltage on the open control and auxiliary switches exceeds the supply voltage, and the need for filtering inductance, included after the rectifier diodes, which complicates the implementation of a multi-channel converter.

Основной технической задачей предложенного способа является достижение равномерности потребления тока из источника питания, уменьшение потерь в трансформаторе, снижение напряжения на силовом ключе в разомкнутом состоянии, формирование траектории его переключения и уменьшение установочной мощности, повышение качества выходного напряжения и многоканального выхода. The main technical objective of the proposed method is to achieve uniformity of current consumption from the power source, reducing losses in the transformer, reducing the voltage on the power switch in the open state, forming the path of its switching and reducing the installation power, improving the quality of the output voltage and multi-channel output.

Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом способе импульсного обратноходового преобразования постоянного напряжения на первом этапе периода периодического процесса происходит увеличение магнитной энергии трансформатора и энергии первого конденсатора при подключении трансформатора к источнику питания через замкнутый регулирующий ключ и первый конденсатор и снижение энергии второго конденсатора, подключаемого к трансформатору замкнутым регулирующим ключом, а на втором этапе периода полученная на первом этапе доза магнитной энергии трансформатора, вторая доза энергии источника и часть энергии первого конденсатора передаются к нагрузке и увеличивают энергию второго конденсатора при разомкнутом состоянии регулируемого ключа и подключении трансформатора замкнутым передающим ключом к источнику питания через второй конденсатор и к первому конденсатору. Дополнительно вводятся определенные коммутационные задержки по управлению на поочередное переключение полупроводниковых приборов ключей и формируются траектории переключения этих полупроводниковых приборов подключением к ним емкостей, а также устанавливается полупериод колебаний контура емкостей первого и второго конденсаторов и индуктивностей рассеивания трансформатора меньшим длительности второго этапа периода. The problem is solved in that in the proposed method for pulsed flyback conversion of DC voltage at the first stage of the period of the periodic process, the magnetic energy of the transformer and the energy of the first capacitor are increased when the transformer is connected to the power source through a closed control key and the first capacitor and the energy of the second capacitor connected to transformer with a closed control key, and in the second stage of the period, the dose of magn tnoj power transformer, a second dose and energy of the source of the first capacitor energy transferred to the load and increase the energy of the second capacitor at the open position and the controlled switch connected transformer closed transmitting the key to the power source via the second capacitor and the first capacitor. In addition, certain switching delays are introduced for controlling the switching of semiconductor switch devices one by one, and the switching paths of these semiconductor devices are formed by connecting capacitors to them, and a half-cycle of oscillations of the capacitance circuit of the first and second capacitors and transformer dissipation inductors is set to be shorter than the duration of the second stage of the period.

При этом энергия из источника питания потребляется на обоих этапах периода, энергии трансформатора, первого и второго конденсатора колеблются относительно своих средних значений, а напряжения на разомкнутых регулирующем и передающем ключах не превышают напряжение питания, причем имеют трапецеидальную форму с плоской вершиной без выбросов, что обеспечивает надежность ключей и возможность получения нескольких выходных каналов с хорошим согласованием. The energy from the power source is consumed at both stages of the period, the energy of the transformer, the first and second capacitors fluctuate relative to their average values, and the voltages on the open control and transmitting keys do not exceed the supply voltage, and they have a trapezoidal shape with a flat top without emissions, which ensures key reliability and the ability to obtain multiple output channels with good agreement.

Анализ известных технических решений показал, что предложенный способ импульсного обратноходового преобразования постоянного напряжения, заключающийся в вышеуказанном поэтапном дозированном увеличении и передаче энергии трансформатора, первого и второго конденсаторов с потреблением ее из источника питания на обоих этапах периода при непосредственной передаче части энергии из источника питания к нагрузке на втором этапе, проявляет новые свойства, заключающиеся в повышении эффективности преобразования, надежности и качества электропитания и снижении массогабаритных показателей преобразователя. An analysis of the known technical solutions showed that the proposed method of pulsed flyback DC voltage conversion, which consists in the above phased metered increase and transfer of energy of the transformer, the first and second capacitors with its consumption from the power source at both stages of the period with the direct transfer of part of the energy from the power source to the load at the second stage, it exhibits new properties consisting in increasing the conversion efficiency, reliability and quality of electric opitaniya and reduced weight and size converter.

Сущность изобретения поясняется чертежами. The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства, представляющего одну из возможностей реализаций предложенного способа обратноходового преобразования и регулирования постоянного напряжения. In FIG. 1 shows a structural diagram of a device that represents one of the implementations of the proposed method of flyback conversion and DC voltage regulation.

На фиг. 2 приведены эпюры напряжений и токов в различных узлах устройства с индексами, соответствующими их обозначению на фиг. 1. In FIG. 2 shows diagrams of voltages and currents in various nodes of the device with indices corresponding to their designation in FIG. 1.

Предложенный способ реализован в устройстве, представленном на фиг. 1. Устройство содержит выводы 1 для подсоединения источника питания, блок управления 2 с двумя выходами - первым 3 и вторым 4, соединенными с входами двух силовых ключей - регулирующего 5 и передающего 6 соответственно. При этом силовые ключи 5 и 6 соединены своими выходами последовательно, образуя стойку, и состоят из параллельно подключенных к выходам ключей полупроводникового прибора 7 (8), конденсатора 9 (10) и встречно-параллельного диода 11 (12) соответственно, причем вход силового ключа 5 (6) соединен с входом полупроводникового прибора 7 (8); а параллельно стойке ключей, соединенной с входными выводами 1, подключена стойка из двух последовательно соединенных конденсаторов - первого 13 и второго 14, при этом между средними точками стоек ключей и конденсаторов включена первичная обмотка трансформатора 15, в то время как вторичная обмотка трансформатора 15 через выпрямительный диод 16 соединена с конденсатором 17, к которому подсоединены выводы 18 подключения нагрузки. The proposed method is implemented in the device shown in FIG. 1. The device contains terminals 1 for connecting a power source, a control unit 2 with two outputs - the first 3 and second 4, connected to the inputs of two power switches - regulating 5 and transmitting 6, respectively. In this case, the power switches 5 and 6 are connected in series with their outputs, forming a rack, and consist of the semiconductor device 7 (8), the capacitor 9 (10) and the parallel-parallel diode 11 (12) connected to the outputs of the keys, respectively, with the power switch input 5 (6) is connected to the input of the semiconductor device 7 (8); and parallel to the key rack connected to the input terminals 1, a rack of two series-connected capacitors is connected - the first 13 and second 14, while the primary winding of the transformer 15 is connected between the midpoints of the key racks and capacitors, while the secondary winding of the transformer 15 is through a rectifier the diode 16 is connected to a capacitor 17, to which the load connection terminals 18 are connected.

Преобразование напряжения осуществляется следующим образом. Блок управления 2 вырабатывает противофазные чередующиеся с небольшим коммутационными задержками между срезом одного и фронтом другого прямоугольные импульсы напряжения U₃, U₄ с частотой преобразования и длительностью, которые определяются выбранным алгоритмом управления и законом обратной связи. Эти импульсы U₃, U₄ поступают на входы силовых ключей 5, 6 и далее на входы полупроводниковых приборов 7, 8 (например МДП-транзисторов) соответственно, обеспечивая их поочередное переключение.The voltage conversion is as follows. The control unit 2 generates opposite-phase alternating rectangular pulses of voltage U ₃ , U ₄ alternating with a small switching delay between the slice of one and the front of the other, with a conversion frequency and duration, which are determined by the selected control algorithm and the feedback law. These pulses U ₃ , U ₄ are supplied to the inputs of power switches 5, 6 and further to the inputs of semiconductor devices 7, 8 (for example, MOS transistors), respectively, ensuring their alternate switching.

Замкнутый ключ 5 осуществляет увеличение энергии трансформатора 15 и первого конденсатора 13 в цепи "выводы источника питания (постоянного напряжения) 1 - первый конденсатор 13 - контур с ключом 5, первичной обмоткой трансформатор 15 и вторым конденсатором 14". При этом одновременно происходит отдача части энергии второго конденсатора 14 по контуру "второй конденсатор 14 - ключ 5 - первичная обмотка трансформатора 15". На этом этапе выпрямительный диод 16 заперт напряжением обратного смещения, а к выводам нагрузки 18 энергия поступает из конденсатора 17. The closed key 5 increases the energy of the transformer 15 and the first capacitor 13 in the circuit "terminals of the power supply (constant voltage) 1 - the first capacitor 13 is a circuit with a key 5, the primary winding of the transformer 15 and the second capacitor 14". In this case, at the same time, part of the energy of the second capacitor 14 is released along the circuit "second capacitor 14 - key 5 - primary winding of the transformer 15". At this stage, the rectifier diode 16 is locked with a reverse bias voltage, and energy is supplied to the terminals of the load 18 from the capacitor 17.

Замкнутый ключ 6 осуществляет передачу энергии источника питания 1, первого конденсатора 13 и трансформатора 15 к нагрузке и увеличение энергии второго конденсатора 14 в цепи "выводы источника питания 1 - второй конденсатор 14 - контур с ключом 6, первичной обмоткой трансформатора 15 и первым конденсатором 13". К выводам нагрузки 18 энергия поступает из вторичной обмотки трансформатора 15 и конденсатора 17. The closed key 6 transmits the energy of the power source 1, the first capacitor 13 and the transformer 15 to the load and increases the energy of the second capacitor 14 in the circuit "power supply terminals 1 - the second capacitor 14 - circuit with the key 6, the primary winding of the transformer 15 and the first capacitor 13" . To the conclusions of the load 18, the energy comes from the secondary winding of the transformer 15 and the capacitor 17.

Передаточная характеристика при предлагаемом способе обратноходового преобразования и регулирования постоянного напряжения в упрощенном виде линейна по коэффициенту заполнения периода K₃ = T₁/(T₁ + T₂)
U_вых/U_пит = K_трK_э,
где
U_вых, U_пит - напряжения выходное и источника питания;
K_тр - коэффициент трансформации трансформатора;
T₁ и T₂ - длительности этапов периода преобразования.The transfer characteristic for the proposed method of flyback conversion and DC voltage regulation in a simplified form is linear in terms of the period fill factor K ₃ = T ₁ / (T ₁ + T ₂ )
U _o / U _pit = K _Tr K _e
Where
U _o , U _pit - output voltage and power source;
K _Tr - the transformation ratio of the transformer;
T ₁ and T ₂ - the duration of the stages of the conversion period.

Ток выпрямительного диода 16 является комбинацией передаваемых долей тока источника питания, второго конденсатора стойки и тока намагничивания трансформатора и плавно нарастает от нулевого уровня (I₁₆), а при полупериоде колебаний контура с емкостями первого 13 и второго 14 конденсаторов и индуктивностью рассеивания трансформатора 15, меньшем второго этапа периода, спадает до нулевого уровня к его концу, что способствует мягкому переключению диодами ключей.The current of the rectifier diode 16 is a combination of the transmitted fractions of the current of the power source, the second capacitor of the rack, and the magnetization current of the transformer and gradually increases from the zero level (I ₁₆ ), and with a half-cycle of oscillations of the circuit with capacitances of the first 13 and second 14 capacitors and a dissipation inductance of transformer 15 less the second stage of the period, drops to zero at its end, which contributes to the soft switching diodes keys.

Формирование траектории переключения полупроводниковых приборов ключей и качество преобразования напряжения обеспечиваются определенной задержкой фронта напряжения одного импульса управления U₃ (U₄) относительно среза напряжения другого импульса управления U₄ (U₃). В начале каждого этапа периода после запирания транзистора 7 (8) ток контура этапа "конденсатор 13 (14) - первичная обмотка трансформатора 15 - ключ 5 (6)" разделяется в середине стойки ключей, производя перезарядку конденсатора ключей - заряду конденсатора 9 (10) и разрядку конденсатора 10 (9). При этом напряжения на ключах изменяются по квазилинейному закону. Когда конденсатор 10 (9) полностью разрядится до нуля, а конденсатор 9 (10) зарядится до напряжения питания, ток продолжает свой путь через диод 12 (11), ограничивая напряжение на ключах. Во время этой фазы этапа подается фронт импульса управления U₄ (U₃) и включение транзистора 8 (7) происходит при нуле напряжения (U₈, U₇).The formation of the switching path of the semiconductor switch devices and the quality of the voltage conversion are provided by a certain delay of the voltage front of one control pulse U ₃ (U ₄ ) relative to the voltage cut of another control pulse U ₄ (U ₃ ). At the beginning of each stage of the period after the transistor 7 (8) is turned off, the current of the circuit stage “capacitor 13 (14) - primary winding of the transformer 15 - key 5 (6)" is divided in the middle of the key rack, recharging the key capacitor to the charge of the capacitor 9 (10) and discharging the capacitor 10 (9). In this case, the voltage at the switches varies according to the quasilinear law. When the capacitor 10 (9) is completely discharged to zero, and the capacitor 9 (10) is charged to the supply voltage, the current continues its path through the diode 12 (11), limiting the voltage on the keys. During this phase of the stage, the front of the control pulse U ₄ (U ₃ ) is supplied and the transistor 8 (7) is turned on when the voltage is zero (U ₈ , U ₇ ).

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет реализовать предложенный способ, обеспечивающий преобразование постоянного напряжения с улучшенными эффективностью, надежностью и качеством электропитания. Thus, the proposed device allows you to implement the proposed method, which provides the conversion of constant voltage with improved efficiency, reliability and quality of power supply.

Claims

1. A method of flyback pulsed conversion of constant voltage, according to which at the first stage of the period of the periodic process, energy is accumulated in the transformer by connecting its primary winding to the constant voltage source through a closed control key, at the second stage of the period, the energy accumulated at the first stage of the period, transfer to the load when the control key is open from the secondary winding of the transformer through a rectifying diode, characterized in that on in the first stage of the period, energy storage is carried out through the first capacitor included in the energy transfer circuit between the constant voltage source and the primary winding of the transformer, while energy storage is carried out on it, in addition, in the first stage of the period, an additional dose of energy is transferred to the primary winding of the transformer from the second capacitor through a closed control key, at the second stage of the period, an additional dose of energy is transferred to the primary winding of the transformer and energy is supplied to the second capacitor from the DC voltage source and the first capacitor through a closed transmitting key, which is in the open state at the first stage of the period, while control switching delays are introduced between the stages of the periods, during which the control signals of the transmitting and control keys correspond to their open state during which they provide a change in the magnitude of the voltages at their power terminals from the corresponding previous stage of the period to the corresponding trace yuschemu step period due to accumulation and respectively connected in parallel recoil energy and transmitting the regulatory keys corresponding capacitors and antiparallel diodes.

2. The method according to claim 1, characterized in that the half-cycle of the oscillation of the circuit of the capacities of the first and second capacitors and the dissipation inductances of the transformers is set to shorter than the duration of the second stage of the period.