RU2467460C1 - Output circuit of pulse voltage converter, method of its galvanic isolation, pulse converter of voltage and pulse source of supply - Google Patents
Output circuit of pulse voltage converter, method of its galvanic isolation, pulse converter of voltage and pulse source of supply Download PDFInfo
- Publication number
- RU2467460C1 RU2467460C1 RU2011121828/07A RU2011121828A RU2467460C1 RU 2467460 C1 RU2467460 C1 RU 2467460C1 RU 2011121828/07 A RU2011121828/07 A RU 2011121828/07A RU 2011121828 A RU2011121828 A RU 2011121828A RU 2467460 C1 RU2467460 C1 RU 2467460C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pulse
- output circuit
- converter
- rectifier
- galvanic isolation
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Dc-Dc Converters (AREA)
Abstract
Description
Группа изобретений относится к технике импульсных преобразователей напряжения и, соответственно, источников питания и может быть использована при проектировании их гальванически развязанных выходных цепей.The group of inventions relates to the technique of pulse voltage converters and, accordingly, power supplies and can be used in the design of their galvanically isolated output circuits.
Существуют различные определения термина «гальваническая развязка», в частности гальваническая развязка - это передача энергии или сигнала между электрическими цепями без электрического контакта между ними, однако четкого, общепринятого определения не существует.There are various definitions of the term “galvanic isolation”, in particular galvanic isolation is the transfer of energy or a signal between electrical circuits without electrical contact between them, but there is no clear, generally accepted definition.
Термин гальваническая развязка используется при описании условий переноса энергии или сигнала между электрически изолированными цепями, поэтому более корректно будет определение: гальваническая развязка - это контролируемая передача энергии или сигнала между разделенными (изолированными) электрическими цепями.The term galvanic isolation is used to describe the conditions for the transfer of energy or signal between electrically isolated circuits, so the definition would be more correct: galvanic isolation is the controlled transfer of energy or signal between separated (isolated) electrical circuits.
Во многих устройствах допускается протекание не опасных для людей и самого устройства токов между гальванически развязанными узлами, если это необходимо для улучшения потребительских свойств изделия. Так, например, металлические корпуса некоторых импульсных блоков питания соединены с сетевыми проводниками конденсаторами небольшой емкости - порядка 10 нФ - являющимися составной частью входного фильтра. Через них может течь ток от фазового провода при контакте с корпусом в несколько миллиампер, что конструктивно заложено в параметры этого устройства и не является опасным для людей и электрических схем, связанных с ним.In many devices, the flow of currents not dangerous for people and the device itself is allowed between galvanically isolated nodes, if necessary to improve the consumer properties of the product. So, for example, the metal cases of some switching power supplies are connected to the network conductors by small capacitors - of the order of 10 nF - which are an integral part of the input filter. Through them, current can flow from the phase wire in contact with the housing of several milliamps, which is structurally embedded in the parameters of this device and is not dangerous for people and the electrical circuits associated with it.
Определение гальванической развязки, используемое в данной заявке, следующее: гальваническая развязка - это разделение (изоляция) электрических цепей подавлением между ними не определяемых параметрами конструкции этих цепей токов с контролируемой передачей энергии или сигналов между ними.The definition of galvanic isolation used in this application is as follows: galvanic isolation is the separation (isolation) of electrical circuits by suppressing between them not determined by the design parameters of these current circuits with controlled transfer of energy or signals between them.
Устройство, обеспечивающее гальваническую развязку между цепями, исключает протекание между ними не определяемых параметрами конструкции этого устройства токов. В настоящее время чаще всего для передачи сигнала между цепями, при условии их гальванической развязки, используется оптрон, а для передачи энергии между цепями - трансформатор, но иногда предлагаются конструкции устройств с так называемой условной гальванической развязкой, в которых изоляция электрических цепей выполняется лишь при исправности элементов этих устройств.A device that provides galvanic isolation between circuits eliminates the flow between them of currents not determined by the design parameters of this device. Currently, an optocoupler is most often used to transmit a signal between circuits, provided they are galvanically isolated, and a transformer is used to transfer energy between circuits, but sometimes designs of devices with the so-called conditional galvanic isolation, in which isolation of electrical circuits is performed only when serviceable, are offered. elements of these devices.
Известен конденсаторный преобразователь напряжения с умножением тока [«Конденсаторный преобразователь напряжения с умножением тока» // Радио, 1999, №1, стр.42-44 или см. http://pc.fk0.pp.ru/pub/books/-hard/radio/199901/p42(44.htm]. Преобразователь включает выходную цепь с «плюсовой» и «минусовой» клеммами Х2, X3, коммутирующим транзистором VT3, амперметром РА1.Known capacitor voltage converter with current multiplication ["Capacitor voltage converter with current multiplication" // Radio, 1999, No. 1, p. 42-44 or see http://pc.fk0.pp.ru/pub/books/- hard / radio / 199901 / p42 (44.htm]. The converter includes an output circuit with positive and negative terminals X2, X3, a switching transistor VT3, an ammeter PA1.
Выходную цепь этого устройства можно считать гальванически развязанной с сетью формально (условно), т.е. только при исправности всех элементов схемы, так как выход из стоя отдельных элементов, например транзистора VT3, диодов VD3 или VD4 приведет к соединению выходной цепи с сетью, что может привести к протеканию не определяемых параметрами конструкции этого устройства токов, опасных для людей и рабочих элементов схемы. Например, пробой диода VD3 приводит к соединению через него сетевого разъема X1 и «плюсовой» выходной клеммы Х2, что может быть опасным для жизни при прикосновении к клеммам Х2 и X3, при этом устройство будет оставаться работоспособным.The output circuit of this device can be considered galvanically isolated from the network formally (conditionally), i.e. only if all the elements of the circuit are in good working order, since standing up of individual elements, for example, VT3 transistor, VD3 or VD4 diodes, will lead to the connection of the output circuit to the network, which can lead to the flow of currents that are not determined by the design parameters of this device, hazardous to people and working elements scheme. For example, a breakdown of the VD3 diode leads to the connection of the network connector X1 and the “positive” output terminal X2 through it, which can be life-threatening when touching the terminals X2 and X3, while the device will remain operational.
Известен импульсный источник питания на базе ШИМ-контроллера NCP1200 [см. http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/174811/-ONSEMI/NCP1200.html], выходная цепь которого включает устройство гальванической развязки, выполненное в виде импульсного трансформатора, выпрямитель и сглаживающий фильтр.Known switching power supply based on a PWM controller NCP1200 [see http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/174811/-ONSEMI/NCP1200.html], the output circuit of which includes a galvanic isolation device made in the form of a pulse transformer, a rectifier and a smoothing filter.
Наиболее характерным и близким аналогом заявляемого технического решения является выходная цепь импульсного преобразователя напряжения импульсного источника питания с ключевым каскадом, включающая устройство гальванической развязки на основе импульсного трансформатора, выпрямитель и сглаживающий фильтр [Раймонд Мэк, Импульсные источники питания, Москва, Издательский дом «Додэка-XXI, 2008, стр.20]. Импульсный трансформатор служит для передачи энергии от импульсного преобразователя к другим элементам выходной цепи и обеспечения их гальванической развязки от остальных, как правило, гальванически связанных с сетью узлов импульсного преобразователя. После выпрямления и сглаживания фильтром на нагрузке присутствует определяемое конструкцией импульсного блока питания постоянное напряжение.The most characteristic and closest analogue of the claimed technical solution is the output circuit of a pulsed voltage converter of a pulsed power supply with a key stage, including a galvanic isolation device based on a pulsed transformer, a rectifier and a smoothing filter [Raymond Mek, Switching power supplies, Moscow, Dodeka-XXI Publishing House , 2008, p. 20]. A pulse transformer is used to transfer energy from a pulse converter to other elements of the output circuit and to ensure their galvanic isolation from the rest, as a rule, galvanically connected to the network of nodes of the pulse converter. After rectification and smoothing by the filter, a constant voltage determined by the design of the switching power supply unit is present at the load.
Основным недостатком настоящей выходной цепи является наличие импульсного трансформатора, что влечет за собой увеличение габаритов импульсных блоков питания, включающих эту цепь, низкий КПД на малых мощностях (менее 80% при 1-20 Вт - см. «Методика и программа расчета импульсного трансформатора двухтактного преобразователя» // Радио, 2006, №6, стр.35), сложность модернизации, уменьшение рабочего диапазона выходных напряжений и токов и, как следствие, увеличение стоимости.The main disadvantage of this output circuit is the presence of a pulse transformer, which entails an increase in the size of the pulse power supplies that include this circuit, low efficiency at low powers (less than 80% at 1-20 W - see “Methodology and program for calculating the pulse transformer of a push-pull converter ”// Radio, 2006, No. 6, p. 35), the complexity of modernization, a decrease in the operating range of output voltages and currents and, as a result, an increase in cost.
Задача, решаемая первым изобретением группы связанных единым изобретательским замыслом технических решений, и достигаемый технический результат заключаются в создании очередного технического решения выходной цепи импульсного источника питания, составной частью которого является импульсный преобразователь напряжения, и/или импульсного преобразователя напряжения, отличающихся простотой, компактностью, надежностью и повышенным КПД, обеспечивающих контролируемую передачу энергии от ключевого элемента импульсного источника питания и/или импульсного преобразователя напряжения в их выходные цепи и исключающих возникновение выравнивающих и других, не определяемых параметрами конструкции импульсного источника питания и/или импульсного преобразователя напряжения электрических токов, способных повреждать компоненты цепи или поражать людей, прикасающихся к оборудованию, имеющему электрический контакт с цепями полезной нагрузки, как для исправного, так и неисправного импульсного источника питания и/или импульсного преобразователя напряжения.The problem solved by the first invention of a group of technical solutions connected by a single inventive concept, and the technical result achieved, consist in creating the next technical solution of the output circuit of a switching power supply, an integral part of which is a switching voltage converter, and / or a switching voltage converter, characterized by simplicity, compactness, reliability and increased efficiency, providing a controlled transfer of energy from a key element of a switching power supply and / or a pulse voltage converter in their output circuits and excluding the occurrence of equalizing and other, not determined by the design parameters of the pulse power supply and / or pulse voltage converter electric currents that can damage circuit components or hit people touching equipment that has electrical contact with the chains payload, both for serviceable and faulty switching power supply and / or switching voltage converter.
Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата в выходной цепи импульсного преобразователя напряжения с ключевым каскадом, включающей устройство гальванической развязки с выпрямителем и сглаживающий фильтр, выпрямитель подключен к ключевому каскаду через две или более разделительных емкости, а полезная нагрузка подключена к выпрямителю через две или более разделительные индуктивности. Кроме этого, полезная нагрузка может быть подключена к разделительным индуктивностям с использованием дополнительного сглаживающего фильтра.To solve the problem and achieve the claimed technical result in the output circuit of a pulse voltage converter with a key stage, including a galvanic isolation device with a rectifier and a smoothing filter, the rectifier is connected to the key stage through two or more separation capacitors, and the payload is connected to the rectifier through two or more decoupling inductances. In addition, the payload can be connected to the separation inductors using an additional smoothing filter.
Существуют разнообразные способы гальванической развязки выходных цепей импульсных источников питания и/или импульсных преобразователей напряжения [см., например, предыдущие источники информации], суть которых сводится к разделению (изоляции) выходных цепей от других узлов импульсного источников питания и/или импульсных преобразователей напряжения для подавления протекания между ними не определяемых параметрами конструкции этих цепей и импульсного преобразователя токов с контролируемой передачей энергии или сигналов.There are various methods for galvanically decoupling the output circuits of switching power supplies and / or switching voltage converters [see, for example, previous sources of information], the essence of which is to separate (isolate) the output circuits from other nodes of the switching power supplies and / or switching voltage converters for suppressing the flow between them not determined by the design parameters of these circuits and the pulse current converter with the controlled transfer of energy or signals.
Самым распространенным, трансформаторным способом гальванической развязки ключевого каскада импульсного источника питания и/или импульсного преобразователя и его выходной цепи является подавление не определяемых параметрами их конструкций протекающих между ними токов за счет их механического разделения, при этом для передачи энергии энергия импульсного преобразователя преобразуется в энергию магнитной индукции, а затем обратно в энергию электрического тока в выходной цепи [см. http://pdf1.alldatasheet.com/datasheetpdf/view/174811/-ONSEMI/NCP1200.html].The most common, transformer method of galvanic isolation of the key stage of a pulsed power supply and / or a pulse converter and its output circuit is the suppression of the currents flowing between them that are not determined by the parameters of their structures due to their mechanical separation, while for the transfer of energy, the energy of the pulse converter is converted into magnetic energy induction, and then back into the energy of an electric current in the output circuit [see http://pdf1.alldatasheet.com/datasheetpdf/view/174811/-ONSEMI/NCP1200.html].
В общем случае трансформаторный способ гальванической развязки выходной цепи импульсного источника питания реализован в работе выходной цепи импульсного преобразователя напряжения [см. книгу Раймонд Мэк, Импульсные источники питания - рис.1.7]. Способ заключается в контролируемой передаче энергии (и/или сигнала) между разделенными (изолированными) электрическими цепями при помощи преобразования энергии переменного электрического тока одной цепи в энергию электромагнитной индукции и преобразования энергии электромагнитной индукции в энергию электрического тока во второй цепи.In the general case, the transformer method of galvanic isolation of the output circuit of a switching power supply is implemented in the output circuit of a switching voltage converter [see book by Raymond Mack, Switching Power Supplies - Figure 1.7]. The method consists in the controlled transfer of energy (and / or signal) between separated (isolated) electrical circuits by converting the energy of an alternating electric current from one circuit into electromagnetic induction energy and converting electromagnetic induction energy into electric current energy in a second circuit.
Недостатками известного способа являются достаточная сложность его аппаратной реализации, преимущественно за счет конструкции импульсного трансформатора, и потери энергии электромагнитной индукции, приводящие к общей потере энергии, что приводит к снижению КПД импульсного источника питания и/или импульсного преобразователя напряжения.The disadvantages of this method are the sufficient complexity of its hardware implementation, mainly due to the design of a pulse transformer, and energy loss of electromagnetic induction, leading to a total loss of energy, which leads to a decrease in the efficiency of a switching power supply and / or a pulse voltage converter.
Задача, решаемая вторым изобретением группы и достигаемый технический результат заключаются в создании очередного способа гальванической развязки выходной цепи импульсного источника питания и/или импульсного преобразователя напряжения, особенности которых определяются возможностями их выходных цепей, выполненных согласно первому изобретению группы.The problem solved by the second invention of the group and the technical result achieved are to create another method for galvanically decoupling the output circuit of a switching power supply and / or a switching voltage converter, the features of which are determined by the capabilities of their output circuits made according to the first invention of the group.
Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата в способе гальванической развязки выходной цепи импульсного преобразователя напряжения, заключающемся в подавлении не определяемых параметрами его конструкции протекающих через эту цепь токов при контролируемой передаче энергии от импульсного преобразователя напряжения в его выходную цепь, подавление постоянного тока и токов промышленных частот осуществляют с использованием реактивных сопротивлений емкостного характера, а подавление токов собственных частот импульсного преобразователя напряжения осуществляют с использованием реактивных сопротивлений индуктивного характера. Дополнительно, подавление не определяемых параметрами конструкции протекающих через выходную цепь токов осуществляется до уровней, не влияющих на работу преобразователя напряжения и самой выходной цепи и не вызывающих поражение людей, прикасающихся к полезной нагрузке или оборудованию, имеющему с ней электрический контакт.To solve the problem and achieve the claimed technical result in a method of galvanically decoupling the output circuit of a pulse voltage converter, which consists in suppressing currents flowing through this circuit that are not determined by the parameters of its design with controlled transfer of energy from the pulse voltage converter to its output circuit, suppressing direct current and currents industrial frequencies are carried out using capacitive reactances, and current suppression GOVERNMENTAL frequency pulse voltage converter is carried out using inductive reactances. Additionally, the suppression of the currents flowing through the output circuit that are not determined by the design parameters is carried out to levels that do not affect the operation of the voltage converter and the output circuit itself and do not cause damage to people touching the payload or equipment that has electrical contact with it.
Типовой импульсный преобразователь включает источник постоянного напряжения, ключевой каскад и выходную цепь, выполненную, как правило, с использованием импульсного трансформатора [см. http://pdf1.-alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/174811/ONSEMI/NCP1200.html]. Первичная обмотка импульсного трансформатора подключается к ключевому каскаду импульсного преобразователя, напряжение с вторичной обмотки выпрямляется, фильтруется и подводится к нагрузке.A typical pulse converter includes a constant voltage source, a key stage, and an output circuit, typically made using a pulse transformer [see http://pdf1.-alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/174811/ONSEMI/NCP1200.html]. The primary winding of the pulse transformer is connected to the key stage of the pulse converter, the voltage from the secondary winding is rectified, filtered and supplied to the load.
Известен типовой импульсный преобразователь, который включает источник постоянного напряжения, ключевой каскад и выходную цепь, выполненную, как правило, с трансформаторной гальванической развязкой [см. книгу Раймонд Мэк, Импульсные источники питания - рис.1.7.].A typical pulse converter is known, which includes a constant voltage source, a key stage and an output circuit, made, as a rule, with transformer galvanic isolation [see Raymond Mack book, Switching Power Supplies - Figure 1.7.].
Недостатком такого преобразователя является высокая стоимость, большие габариты, невысокий КПД на малых мощностях - менее 80% при 1-20 Вт (см. «Методика и программа расчета импульсного трансформатора двухтактного преобразователя» // Радио, 2006, №6, стр.35), а также трудности с последующей модернизацией, требующей замены импульсного трансформатора и ограниченные возможности по изменению выходного напряжения.The disadvantage of this converter is its high cost, large dimensions, low efficiency at low powers — less than 80% at 1-20 W (see “Methodology and program for calculating a pulse transformer of a push-pull converter” // Radio, 2006, No. 6, p. 35) as well as difficulties with subsequent modernization, requiring the replacement of a pulse transformer and limited possibilities for changing the output voltage.
Задача, решаемая третьим изобретением группы, и достигаемый технический результат аналогичны двум первым изобретениям группы, с поправкой на объект - импульсный преобразователь напряжения.The problem solved by the third invention of the group and the technical result achieved are similar to the first two inventions of the group, adjusted for the object - a pulse voltage converter.
Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата в импульсном преобразователе напряжения, включающем источник постоянного напряжения, ключевой каскад и выходную цепь, последняя выполнена согласно вышеописанным изобретениям в части конструктивного исполнения и способа ее гальванической развязки. Кроме этого, преобразователь включает, по меньшей мере, одну дополнительную выходную цепь, выполненною аналогично первой (основной).To solve the problem and achieve the claimed technical result in a pulsed voltage converter, including a constant voltage source, a key stage and an output circuit, the latter is made according to the above-described inventions in terms of design and method of galvanic isolation. In addition, the converter includes at least one additional output circuit, performed similarly to the first (main).
Существует потребность в компактных, надежных и эффективных импульсных источниках питания, обеспечивающих подавление не определенных их технико-эксплуатационными параметрами токов, способных привести к повреждению рабочих элементов источника или к поражению электрическим током людей, прикасающихся к подключенным к нему устройствам.There is a need for compact, reliable and efficient switching power supplies that suppress currents not determined by their technical and operational parameters that can lead to damage to the working elements of the source or to electric shock to people who touch the devices connected to it.
Известен трансформаторный источник питания, который включает подключенный к промышленной сети линейный трансформатор, выпрямитель и регулируемый стабилизатор напряжения с выходной цепью [«Низковольтный выпрямитель» // Радио, 1971, №4, стр.52-53]. Гальваническая развязка выходной цепи этого устройства от промышленной сети осуществляется за счет развязки всей электрической схемы, осуществляемой трансформатором.Known transformer power source, which includes a linear transformer connected to an industrial network, a rectifier and an adjustable voltage regulator with an output circuit ["Low-voltage rectifier" // Radio, 1971, No. 4, p.52-53]. The galvanic isolation of the output circuit of this device from the industrial network is carried out by decoupling the entire electrical circuit carried out by the transformer.
До 80-х годов прошлого столетия трансформаторные источники питания применялись повсеместно, а потом стали вытесняться импульсными источниками питания благодаря ряду преимуществ, например меньшему весу, габаритам и т.д.Until the 80s of the last century, transformer power supplies were used everywhere, and then they began to be replaced by switching power supplies due to a number of advantages, for example, lower weight, dimensions, etc.
Импульсные трансформаторы имеют существенно меньшие габариты при аналогичной мощности по сравнению с линейными трансформаторами. Вместе с тем, импульсные трансформаторы имеют ряд недостатков: высокая цена - до 50% от стоимости блока питания, большие габариты по сравнению с остальными компонентами импульсных источников питания, невысокий КПД на малых мощностях (около 80% при 1-20 Вт - см. статью «Методика и программа расчета импульсного трансформатора двухтактного преобразователя» // Радио). Кроме того, мощность и габариты импульсного источника питания определяется мощностью импульсного трансформатора, что приводит к компромиссу между миниатюризацией и мощностью. Наличие импульсного трансформатора затрудняет модернизацию импульсного источника питания, так как для этого почти всегда требуется замена импульсного трансформатора. Конструкция импульсного трансформатора определяет выходные параметры всего блока питания, что ограничивает диапазон возможной перестройки последнего.Pulse transformers have significantly smaller dimensions at the same power compared to linear transformers. At the same time, pulse transformers have a number of disadvantages: high price - up to 50% of the cost of the power supply, large dimensions compared to other components of switching power supplies, low efficiency at low powers (about 80% at 1-20 W - see article “Methodology and program for calculating a pulse transformer of a push-pull converter” // Radio). In addition, the power and dimensions of the switching power supply is determined by the power of the pulse transformer, which leads to a compromise between miniaturization and power. The presence of a pulse transformer makes it difficult to upgrade a pulse power supply, since this almost always requires the replacement of a pulse transformer. The design of the pulse transformer determines the output parameters of the entire power supply, which limits the range of possible tuning of the latter.
В импульсных источниках питания, предназначенных для работы от сети переменного тока, происходит выпрямление сетевого напряжения при помощи выпрямителя и фильтра, преобразование полученного постоянного напряжения импульсным преобразователем в переменное высокочастотное напряжение прямоугольной формы, которое трансформируется до требуемых значений, затем выпрямляется и фильтруется. Гальваническую развязку выходных цепей и передачу в них энергии от импульсного преобразователя осуществляет импульсный трансформатор.In switching power supplies intended for operation from an alternating current main, the mains voltage is rectified by means of a rectifier and a filter, the DC voltage obtained is converted by a pulse converter to a rectangular high-frequency voltage, which is transformed to the required values, then rectified and filtered. The galvanic isolation of the output circuits and the transfer of energy to them from a pulse converter is carried out by a pulse transformer.
В частности, известен типовой импульсный источник питания, включающий сетевой выпрямитель, импульсный преобразователь, ключевой каскад и выходную цепь с нагрузочный элементом выходного каскада в виде первичной обмотки трансформатора [см. книгу Раймонд Мэк, Импульсные источники питания - фиг.1].In particular, a typical switching power supply is known, including a network rectifier, a pulse converter, a key stage and an output circuit with a load element of the output stage in the form of a primary transformer winding [see Raymond Mack book, Switching Power Supplies - FIG. 1].
Недостатком известного источника питания, так же как и у импульсного преобразователя напряжения, являются высокая стоимость, большие габариты, невысокий КПД на малых мощностях, а также трудности с модернизацией, требующей замены импульсного трансформатора, и ограниченные возможности по регулировке.A disadvantage of the known power source, as well as that of a pulsed voltage converter, is its high cost, large dimensions, low efficiency at low powers, as well as difficulties with modernization, requiring the replacement of a pulse transformer, and limited adjustment possibilities.
Задача, решаемая четвертым изобретением группы и достигаемый технический результат аналогичны трем первым изобретениям группы, с поправкой на объект - импульсный источник питания.The problem solved by the fourth invention of the group and the technical result achieved are similar to the first three inventions of the group, adjusted for the object - a switching power supply.
Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата в импульсном источнике питания, включающем сетевой выпрямитель, импульсный преобразователь напряжения, ключевой каскад и выходную цепь, импульсный преобразователь и выходная цепь выполнены согласно вышеописанным изобретениям с возможностью реализации способа гальванической развязки. Дополнительно, источник питания включает, по меньшей мере, одну дополнительную выходную цепь, выполненную аналогично первой (основной).To solve the problem and achieve the claimed technical result in a switching power supply, including a network rectifier, a switching voltage converter, a key stage and an output circuit, a switching converter and an output circuit are made according to the above-described inventions with the possibility of implementing a galvanic isolation method. Additionally, the power source includes at least one additional output circuit, made similar to the first (main).
Изобретения поясняются чертежами, гдеThe invention is illustrated by drawings, where
- на фиг.1 показана принципиальная электрическая схема выходной цепи импульсного преобразователя напряжения с индуктивно-емкостной гальванической развязкой;- figure 1 shows a circuit diagram of the output circuit of a pulse voltage converter with inductive-capacitive galvanic isolation;
- на фиг.2 показан фрагмент выходной цепи с использованием дополнительного сглаживающего фильтра;- figure 2 shows a fragment of the output circuit using an additional smoothing filter;
- на фиг.3 показана типовая схема импульсного источника питания на базе ШИМ-контроллера NCP1200;- figure 3 shows a typical diagram of a switching power supply based on a PWM controller NCP1200;
- на фиг.4 - схема импульсного источника питания с применением индуктивно-емкостной гальванической развязки на базе ШИМ-коконтроллера NCP1200;- figure 4 is a diagram of a switching power supply using inductance-capacitive galvanic isolation based on a PWM-based NCP1200 controller;
- на фиг.5 показан пример применения индуктивно-емкостной гальванической развязки к мостовым импульсным преобразователям напряжения;- figure 5 shows an example of the use of inductive-capacitive galvanic isolation to bridge pulse voltage converters;
- на фиг.6 - пример применения индуктивно-емкостной гальванической развязки к полумостовым импульсным преобразователям напряжения.- figure 6 is an example of the use of inductive-capacitive galvanic isolation to half-bridge pulse voltage converters.
- на фиг.7 - импульсный источник питания с индуктивно-емкостной гальванической развязкой;- Fig.7 - switching power supply with inductive-capacitive galvanic isolation;
- на фиг.8 - импульсный источник питания (импульсный преобразователь напряжения) с тремя выходными цепями;- Fig. 8 shows a switching power supply (switching voltage converter) with three output circuits;
- на фиг.9 для сравнения показана типовая выходная цепь импульсного преобразователя с трансформаторной гальванической развязкой.- figure 9 for comparison shows a typical output circuit of a pulse Converter with transformer galvanic isolation.
Импульсный преобразователь 1 содержит источник постоянного напряжения (условно не показан), ключевой каскад 2 и выходную цепь 3, включающую устройство 4 и 4' гальванической развязки с выпрямителем 5 и сглаживающий фильтр 6, при этом выпрямитель 5 подключен к ключевому каскаду 2 через две или более разделительных емкости 7 и 7', являющиеся элементом гальванической развязки, а полезная нагрузка 8 подключена к выпрямителю 5 через две или более разделительные индуктивности 9 и 9', также являющиеся элементом гальванической развязки и, одновременно, элементами сглаживающего фильтра 6. Полезная нагрузка 8 может быть подключена к разделительным индуктивностям 9 и 9' с использованием дополнительного сглаживающего фильтра 10. Импульсный преобразователь 1 может включать, по меньшей мере, одну дополнительную выходную цепь 3', выполненную аналогично цепи 3.The
Способ гальванической развязки выходной цепи 3 импульсного преобразователя 1 напряжения при контролируемой передаче энергии от преобразователя в его выходную цепь заключается в подавлении постоянного тока и токов промышленных частот с использованием реактивных сопротивлений емкостного характера - разделительных емкостей 7 и 7', а подавление токов собственных частот импульсного преобразователя 1 с использованием реактивных сопротивлений индуктивного характера - разделительных индуктивностей 9 и 9'. Подавление не определяемых параметрами конструкции протекающих через выходную цепь 3 токов осуществляется до уровней, не влияющих на работу импульсного преобразователя 1 и самой выходной цепи 3 и не вызывающих поражение людей, прикасающихся к полезной нагрузке 8 (ее цепям) или оборудованию, имеющему с ней электрический контакт.The method of galvanically decoupling the
Полученную гальваническую развязку цепей полезной нагрузки импульсного источника питания и/или импульсного преобразователя напряжения можно квалифицировать как индуктивно-емкостную.The obtained galvanic isolation of the payload circuits of a switching power supply and / or a switching voltage converter can be qualified as inductive-capacitive.
Импульсный источник питания (см. фиг.4, 7 и 8) включает сетевой выпрямитель 11, импульсный преобразователь 1 с ключевым каскадом 2 и выходную цепь 3, которые выполнены согласно упомянутым техническим решениям, при этом он может включать, по меньшей мере, одну дополнительную выходную цепь 3', выполненною аналогичным образом.The switching power supply (see FIGS. 4, 7 and 8) includes a
Проанализируем существенные признаки изобретений.Let us analyze the essential features of inventions.
В отличие от трансформаторной развязки, которая обеспечивает передачу энергии, разделение цепей по постоянному току, разделение цепей по току промышленных частот и разделение цепей для токов собственных частот работы импульсных преобразователей 1, в индуктивно-емкостной гальванической развязке, выполненной согласно изобретениям, разделение цепей ключевого каскада 2 и выпрямителя 5 по постоянному току, току промышленных частот, и передачу энергии реализуют при помощи конденсаторов 7 и 7', а разделение выпрямителя 5 и цепей полезной нагрузки 8 для токов собственных частот работы импульсных преобразователей 1 - при помощи индуктивностей 9 и 9'. Параметры применяемых емкостей 7 и 7' и индуктивностей 9 и 9' зависят от частоты работы импульсного преобразователя 1 - с повышением частоты их номиналы уменьшаются.In contrast to transformer isolation, which provides energy transfer, DC separation of circuits, separation of current circuits of industrial frequencies and separation of circuits for natural frequencies of operation of
Индуктивно-емкостная гальваническая развязка эффективно подавляет не определяемые параметрами конструкции протекающие токи до уровней, не влияющих на работу импульсного преобразователя 1 и самой выходной цепи 3 и не вызывающих поражение людей, прикасающихся к цепям полезной нагрузки 8 или оборудованию, имеющему с ними электрический контакт. Уровень подавления токов зависит от номиналов элементов индуктивно-емкостной развязки.Inductive-capacitive galvanic isolation effectively suppresses currents that are not determined by the design parameters to levels that do not affect the operation of the
Полезная нагрузка может быть подключена к разделительным индуктивностям 9 и 9' с использованием дополнительного сглаживающего фильтра 10, в качестве которого можно применить выпускаемые серийно дроссели для сетевых фильтров, в результате чего можно уменьшить номиналы величин индуктивностей 9 и 9'.The payload can be connected to the
Выполнение выходной цепи 3 импульсного преобразователя напряжения 1 согласно изобретению позволило создать простые, компактные и надежные импульсные преобразователи напряжения и импульсные источники питания, отличающиеся от аналогов, например, с трансформаторной развязкой более высоким КПД, меньшими габаритами, имеющими больший диапазон регулировки выходных параметров, больший запас мощности, а при их оснащении дополнительными соответствующими выходными цепями 3' можно получить любое количество требуемых выходных напряжений.The implementation of the
Каждый проводник (в самом простом варианте их два - см. фиг.1), соединяющий выпрямитель 5 и ключевой каскад 2 импульсного преобразователя напряжения 1, подключен через разделительные конденсаторы 7 и 7', таким образом, непосредственный контакт между ними отсутствует.Each conductor (in the simplest version there are two of them - see Fig. 1) connecting the
Перенос энергии от ключевого каскада 2 импульсного преобразователя напряжения 1 в его выходную цепь 3 осуществляется благодаря току смещения в конденсаторах 7 и 7', возникающему при их заряде и разряде, или изменения их заряда на противоположный (в зависимости от типа ключевого каскада 2 импульсного преобразователя 1).Energy is transferred from the
Конденсаторы 7 и 7' изолируют выпрямитель 5, а следовательно и полезную нагрузку 8, от выходного каскада 2 импульсного преобразователя напряжения (источника питания) 1 по постоянному току. При неисправности импульсного преобразователя напряжения 1, входящего в состав импульсного источника питания, к конденсаторам 7 и 7' может быть приложено напряжение промышленной частоты. Емкость конденсаторов 7 и 7' выбирают с таким расчетом, что они имеют высокое сопротивление для токов промышленных частот и фактически изолируют от них выпрямитель 5, а следовательно, и полезную нагрузку 8. Например, конденсатор емкостью 10000 пФ на частоте 50 Гц имеет реактивное сопротивление 318310 Ом, при подведенном к конденсатору напряжению 220 B с промышленной частотой 50 Гц ток через него не превысит 0,7 мА (пренебрежительно малый ток), при этом на частоте 500000 Гц для синусоидального тока его реактивное сопротивление составляет всего 31 Ом (для импульсного - еще меньше), что не препятствует передаче через него на этой частоте энергии.
Разделительных конденсаторов 7 и 7' в самом простом варианте должно быть по одному на каждый соединяющий выпрямитель 5 и выходной каскад 2 импульсного преобразователя напряжения (источника питания) 1 проводник, но для повышения надежности схемы каждый конденсатор 7 и 7' может быть выполнен в виде двух и более соединенных последовательно конденсаторов с высоким пробивным напряжением. Полезная нагрузка 8 подключена к выпрямителю 5 через две или более разделительные индуктивности 9 и 9', являющиеся частью выходного сглаживающего фильтра 6 и изолирующие полезную нагрузку 8 от импульсных токов собственных частот импульсного источника питания. Например, на частоте 500000 Гц индуктивность 10 мГн имеет реактивное сопротивление для синусоидальных токов 31416 Ом. При подведенному к ней напряжению 300 B ток через нее не превысит 10 мА - допустимый ток.Separating
Для импульсных токов сопротивление индуктивности 10 мГн на частоте 500000 Гц будет выше, чем 31416 Ом, так как амплитуда синусоидальной составляющей в импульсах всегда меньше амплитуды самих импульсов. В производстве контроллеров импульсных преобразователей существует тенденция к увеличению частоты преобразования. Современные контроллеры работают на частоте 1 МГц и выше, что позволяет дополнительно снизить величину индуктивностей 9 и 9'.For pulsed currents, an inductance resistance of 10 mH at a frequency of 500,000 Hz will be higher than 31416 Ohms, since the amplitude of the sinusoidal component in the pulses is always less than the amplitude of the pulses themselves. In the manufacture of pulse converter controllers, there is a tendency to increase the conversion frequency. Modern controllers operate at a frequency of 1 MHz and higher, which further reduces the value of
Отсутствие импульсного трансформатора у импульсных преобразователей напряжения (источников питания) 1 позволяет в широком диапазоне изменять их выходные напряжения и токи, что может быть использовано для преобразования энергии постоянного или переменного тока в энергию требуемого вида изменением широтно-импульсной модуляции импульсов ключевого каскада 2.The absence of a pulse transformer for pulse voltage converters (power sources) 1 allows a wide range of changes in their output voltages and currents, which can be used to convert direct or alternating current energy to the required type of energy by changing the pulse-width modulation of the pulses of the
Реализацию изобретений рассмотрим на следующих примерах.The implementation of the inventions will consider the following examples.
Пример 1. Импульсный источник питания на основе ШИМ-контроллера NCP1200.Example 1. Switching power supply based on the NCP1200 PWM controller.
Стандартную схему включения, рекомендуемую изготовителем, иллюстрирует фиг.3, а использование для этой схемы индуктивно-емкостной гальванической развязки - фиг.4.Figure 3 illustrates the standard switching circuit recommended by the manufacturer, and the use of inductive-capacitive galvanic isolation for this circuit is illustrated in Fig. 4.
Источник питания работает следующим образом: на дросселе L1 выделяются высоковольтные импульсы, которые заряжают конденсаторы С4 и С5. Во время заряда конденсаторов С4 и С5 в дросселях L2 и L3 накапливается энергия. В промежутках между импульсами конденсаторы С4, С5 и дроссели L2, L3 разряжаются, диод D2 (тот же выпрямитель 5) обеспечивает канал для протекания разрядного тока дросселей L2, L3.The power source operates as follows: on the inductor L1 high-voltage pulses are released, which charge the capacitors C4 and C5. During the charge of capacitors C4 and C5, energy is accumulated in the chokes L2 and L3. In the intervals between pulses, the capacitors C4, C5 and the inductors L2, L3 are discharged, the diode D2 (the same rectifier 5) provides a channel for the discharge current to flow in the inductors L2, L3.
Применение индуктивно-емкостной гальванической развязки позволяет при необходимости изменять выходное напряжение практически от нулевого до 15-20 В только заменой стабилитрона D8, для увеличения тока более 600 мА требуется лишь установить ключевой транзистор М1 на радиатор.The use of inductive-capacitive galvanic isolation allows, if necessary, changing the output voltage from almost zero to 15-20 V only by replacing the Zener diode D8, to increase the current more than 600 mA, you only need to install the key transistor M1 on the radiator.
Испытания схемы фиг 4 показали увеличение КПД относительно схемы с традиционной трансформаторной развязкой на 5-10 процентов. Довольно высокие емкости конденсаторов С4 и С5 обусловлены низкой частотой микросхемы NCP1200P60 - 60 кГц. Значения индуктивностей L2 и L3 меньше необходимых для изоляции выпрямителя 5 для токов с частотой 60 кГц от полезной нагрузки, но наличие сетевого фильтра EMI Filter на входе импульсного источника питания позволят их в данном случае применять, так как сетевой фильтр EMI Filter препятствует возникновению замкнутого контура для токов с частотами 60 кГц благодаря его индуктивностям (10-20 мГн). Вместо индуктивностей L2 и L3 для импульсного источника питания можно применять некоторые стандартные дроссели сетевых фильтров.Tests of the circuit of FIG. 4 showed an increase in efficiency relative to the circuit with traditional transformer isolation by 5-10 percent. The rather high capacitances of the capacitors C4 and C5 are due to the low frequency of the NCP1200P60 chip - 60 kHz. The inductances L2 and L3 are less than those necessary for isolating the
Выпрямитель 5 может быть выполнен с применением одного или нескольких диодов, их количество определяется типом ключевого каскада 2 импульсного преобразователя 1. Например, для мостового или полумостового ключевых каскадов 2 наилучшие результаты дает применение диодного моста из четырех диодов, для ключевого каскада на одном транзисторе достаточно одного диода, хотя и с диодным мостом схема работоспособна.
Несколько выходных напряжений импульсного источника питания получаются параллельным соединением нескольких выходных цепей 3 и 3' - см фиг.8 - иллюстрирует получение трех напряжений. Полярность напряжений зависит от соединения выходных цепей 3 и 3' к общему проводу - на фиг.8 нижняя выходная цепь 3 имеет инверсное относительно двух других цепей 3' напряжение. Напряжение и ток в выходных цепях 3 и 3' зависят от величин емкости их конденсаторов 7 и 7' и величин индуктивностей 9 и 9'.Several output voltages of a switching power supply are obtained by parallel connection of
Пример 2. Импульсный преобразователь на основе мостовой схемы с применением индуктивно-емкостной гальванической развязки - см. фиг.5.Example 2. A pulse converter based on a bridge circuit using inductive-capacitive galvanic isolation - see figure 5.
Источник питания работает следующим образом: благодаря работе ключей импульсного преобразователя 1 напряжение, приложенное к конденсаторам 7 и 7' выходной цепи 3, меняется на противоположное с частотой работы импульсного преобразователя 1, что вызывает протекание через конденсаторы 7 и 7' зарядно-разрядных токов. Зарядно-разрядная цепь конденсаторов 7 и 7' включает дроссели 9 и 9' и полезную нагрузку 8. Выпрямитель 5 обеспечивает одинаковое направление тока через дроссели 9 и 9' и полезную нагрузку 8 во всех циклах заряда-разряда конденсаторов 7 и 7'.The power source operates as follows: due to the operation of the keys of the
Пример 3. Импульсный преобразователь на основе полумостовой схемы с применением индуктивно-емкостной гальванической развязки - см. фиг.6.Example 3. A pulse converter based on a half-bridge circuit using inductive-capacitive galvanic isolation - see Fig.6.
Принцип работы импульсного преобразователя основе полумостовой схемы с применением индуктивно-емкостной гальванической развязки аналогичен принципу работы импульсного преобразователя основе мостовой схемы.The principle of operation of a pulse converter based on a half-bridge circuit using inductive-capacitive galvanic isolation is similar to the principle of operation of a pulse converter based on a bridge circuit.
Также возможны другие варианты реализации изобретений, иллюстрирующие индуктивно-емкостную гальваническую развязку, использующие существенные признаки вышеописанных технических решений с поправкой на их конструктивные особенности и специфику их использования.Other embodiments of the inventions illustrating inductive-capacitive galvanic isolation, using the essential features of the above technical solutions, adjusted for their design features and the specifics of their use, are also possible.
В результате использования группы изобретений была решена техническая проблема гальванической развязки цепей полезной нагрузки импульсных источников питания, составной частью которых являются импульсные преобразователи напряжения, и/или импульсных преобразователей напряжения. Технические решения отличаются простотой, компактностью, надежностью и повышенным КПД, обеспечивают контролируемую передачу энергии от ключевого элемента импульсного источника питания и/или импульсного преобразователя напряжения в их выходные цепи и исключают возникновение выравнивающих и других, не определяемых параметрами конструкции импульсного источника питания и/или импульсного преобразователя напряжения электрических токов, способных повреждать компоненты цепи или поражать людей, прикасающихся к оборудованию, имеющему электрический контакт с полезной нагрузкой как для исправного, так и неисправного импульсного источника питания и/или импульсного преобразователя напряжения.As a result of the use of the group of inventions, the technical problem of the galvanic isolation of the payload circuits of switching power supplies, of which pulsed voltage converters, and / or pulse voltage converters, was solved, was solved. Technical solutions are characterized by simplicity, compactness, reliability and increased efficiency, provide controlled energy transfer from a key element of a pulsed power supply and / or a pulsed voltage converter to their output circuits and exclude the appearance of equalizing and other, not determined by the design parameters of a pulsed power supply and / or pulsed voltage transducer of electric currents, capable of damaging circuit components or striking people touching equipment that has electrical Critical contact with the payload for both a working and a faulty switching power supply and / or switching voltage converter.
Claims (8)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011121828/07A RU2467460C1 (en) | 2011-05-31 | 2011-05-31 | Output circuit of pulse voltage converter, method of its galvanic isolation, pulse converter of voltage and pulse source of supply |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011121828/07A RU2467460C1 (en) | 2011-05-31 | 2011-05-31 | Output circuit of pulse voltage converter, method of its galvanic isolation, pulse converter of voltage and pulse source of supply |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2467460C1 true RU2467460C1 (en) | 2012-11-20 |
Family
ID=47323397
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011121828/07A RU2467460C1 (en) | 2011-05-31 | 2011-05-31 | Output circuit of pulse voltage converter, method of its galvanic isolation, pulse converter of voltage and pulse source of supply |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2467460C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2572815C2 (en) * | 2014-02-10 | 2016-01-20 | Иван Станиславович Полушкин | Pulse voltage converter with regulation at ac-side based on optical coupler for security equipment |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6163466A (en) * | 1999-09-16 | 2000-12-19 | Lucent Technologies, Inc. | Asymmetrical DC/DC converter having output current doubler |
US7095630B2 (en) * | 2002-10-16 | 2006-08-22 | Thomson Licensing | Capacitively coupled power supply |
-
2011
- 2011-05-31 RU RU2011121828/07A patent/RU2467460C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6163466A (en) * | 1999-09-16 | 2000-12-19 | Lucent Technologies, Inc. | Asymmetrical DC/DC converter having output current doubler |
US7095630B2 (en) * | 2002-10-16 | 2006-08-22 | Thomson Licensing | Capacitively coupled power supply |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2572815C2 (en) * | 2014-02-10 | 2016-01-20 | Иван Станиславович Полушкин | Pulse voltage converter with regulation at ac-side based on optical coupler for security equipment |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8670250B2 (en) | Common mode noise reduction apparatus and method | |
US8503199B1 (en) | AC/DC power converter with active rectification and input current shaping | |
US9906169B1 (en) | DC-AC conversion circuit having a first double ended DC pulse stage and a second AC stage | |
US8068355B1 (en) | Apparatus for isolated switching power supply with coupled output inductors | |
US10063103B2 (en) | Contactless power transmission device and power transmission method thereof | |
CN106981990B (en) | Unidirectional isolation type multistage direct current-direct current electric energy conversion device and method thereof | |
CN106716812A (en) | Power factor improving converter and power supply device including power factor improving converter | |
CN106575927B (en) | Power conversion device | |
TW201541838A (en) | Flyback active clamping power converter | |
RU108243U1 (en) | PULSE VOLTAGE CONVERTER OUTPUT CIRCUIT, PULSE VOLTAGE CONVERTER AND PULSE VOLTAGE POWER SUPPLY (OPTIONS) | |
JP5721355B2 (en) | Power circuit | |
RU2467460C1 (en) | Output circuit of pulse voltage converter, method of its galvanic isolation, pulse converter of voltage and pulse source of supply | |
US20220416671A1 (en) | Power electronic transformer and power supply system | |
KR101456654B1 (en) | A common-core power factor correction resonant converter | |
US20070223260A1 (en) | Power supply device with inrush current control circuit | |
US10205406B2 (en) | Passive boost network and DC-DC boost converter applying the same | |
US9837925B1 (en) | Capacitor-less power supply | |
WO2019134123A1 (en) | Switch power supply circuit | |
EP4123893A1 (en) | Active rectifier in switched-mode power supply | |
WO2014086097A1 (en) | Passive power factor correction and alternating-direct current conversion device and power factor correction circuit operation method | |
US20240072653A1 (en) | Resonant converter with multiple resonant tank circuits | |
CN113437865B (en) | Power supply equipment and anti-electromagnetic interference device thereof | |
CN111600477B (en) | Noise suppression circuit for reinjection cancellation | |
KR101484486B1 (en) | Power converting apparatus | |
KR101472448B1 (en) | High voltage dc/dc converter |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150601 |