PL225511B1 - Impulsowa przetwornica napięcia - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest impulsowa przetwornica napięcia, przeznaczona do zasilania układów elektronicznych, w których wymagana jest wysokosprawna konwersja poziomów napięć zas ilających, w tym w układach przetwornic DC-DC kontrolerów ładowania akumulatorów w systemach zasilających alternatywne źródła energii elektrycznej.

W znanym z artykułu Schmitz T.: „Designing a Buck Converter”, http://www.ecnmag.com/articles/2009/12/designing-buck-converter, z 8 grudnia 2009, rys. 1, układzie przetwornicy, wejście dodatnie układu połączone jest z biegunem dodatnim kondensatora pierwszego i z drenem tranzystora pierwszego, którego źródło połączone jest z końcówką pierwszą cewki, z drenem tranzystora drugiego i z wejściem pierwszym sterownika. Wyjścia sterujące sterownika: pierwsze i drugie połączone są odpowiednio z bramkami tranzystorów: pierwszego i drugiego. Wejście ujemne znanej przetwornicy napięcia połączone jest z poziomem odniesienia, z biegunem ujemnym kondensatora pierwszego, ze źródłem tranzystora drugiego, z biegunem ujemnym kondensatora drugiego oraz z wyjściem ujemnym. Końcówka druga cewki, połączona jest z biegunem dodatnim kondensatora drugiego, z wejściem drugim sterownika i z wyjściem dodatnim układu.

Znana impulsowa przetwornica napięcia, chociaż umożliwia wysokosprawną konwersję poziomów napięć z wejścia układu na jego wyjście, to jednak w jego sprawność znacząco maleje przy d użych wartościach stosunków napięć wejściowych do wyjściowych. Ponadto znany układ wymaga stosowania rdzeni ferromagnetycznych o znaczących rozmiarach w przypadku układów przetwornic dużej mocy.

Istota impulsowej przetwornicy napięcia według wynalazku polega na tym, że wejście dodatnie połączone jest z biegunem dodatnim kondensatora trzeciego, z końcówką pierwszą rezystora i z początkiem uzwojenia pierwszego transformatora pierwszego. Biegun ujemny kondensatora trzeciego połączony jest z końcówką drugą rezystora, z końcem uzwojenia pierwszego transformatora pierwszego, z drenem tranzystora pierwszego i z biegunem dodatnim kondensatora drugiego. Źródło tranzystora pierwszego połączone jest z końcem uzwojenia drugiego transformatora pierwszego, którego początek połączony jest z końcem uzwojenia pierwszego transformatora drugiego. Początek uzwojenia pierwszego transformatora drugiego połączony jest z początkiem uzwojenia drugiego transform atora drugiego, z biegunem dodatnim kondensatora czwartego i z biegunem dodatnim kondensatora piątego. Koniec uzwojenia drugiego transformatora drugiego połączony jest z biegunem ujemnym kondensatora piątego, z biegunem dodatnim kondensatora szóstego i z wyjściem dodatnim.

Impulsowa przetwornica napięcia posiada wysoką sprawność przetwarzania energii dla dużych wartości podziału napięcia wejściowego do wyjściowego. Układ według wynalazku umożliwia uzyskanie przetwarzania znaczących mocy, przy zachowaniu małych rozmiarów urządzenia, w tym rozmiaru rdzeni ferromagnetycznych w porównaniu do rozmiarów znanych rozwiązań.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania uwidoczniony jest na rysunku przedstawiającym schemat ideowy impulsowej przetwornicy napięcia. Wejście dodatnie We+ impulsowej przetwornicy napięcia według wynalazku połączone jest z biegunem dodatnim kondensatora pierwszego C1, z biegunem dodatnim kondensatora trzeciego C3, z końcówką pierwszą rezystora R i z początkiem uzwojenia pierwszego transformatora pierwszego Tr1. Wejście ujemne We- połączone jest z biegunem ujemnym kondensatora pierwszego C1, z biegunem ujemnym kondensatora drugiego C2, ze źródłem tranzystora drugiego T2, z biegunem ujemnym kondensatora czwartego C4, z biegunem ujemnym kondensatora szóstego C6, poziomem odniesienia oraz wyjściem ujemnym Wy-. Biegun ujemny kondensatora trzeciego C3 połączony jest z końcówką drugą rezystora R, z końcem uzwojenia pierwszego transformatora pierwszego Tr1, z drenem tranzystora pierwszego T1 oraz z biegunem dodatnim kondensatora drugiego C2. Źródło tranzystora pierwszego T1 połączone jest z drenem tranzystora drugiego T2 oraz z końcem uzwojenia drugiego transformatora pierwszego Tr1, którego początek połączony jest z końcem uzwojenia pierwszego transformatora drugiego Tr2. Początek uzwojenia pierwszego transformatora drugiego Tr2 połączony jest z początkiem uzwojenia drugiego transformatora drugiego Tr2 oraz z biegunem dodatnim kondensatora czwartego C4 i z biegunem dodatnim kondensatora piątego C5. Bramka tranzystora pierwszego T1 połączona jest z wyjściem sterującym pierwszym s1 sterownika St. Bramka tranzystora drugiego T2 połączona jest z wyjściem sterującym drugim s2 sterownika St, którego wejście zasilające ujemne połączone jest z poziomem odniesienia. Koniec uzwojenia drugiego transformatora drugiego Tr2 połączony jest z biegunem ujemnym kondenPL 225 511 B1 satora piątego C5, z wejściem zasilającym dodatnim sterownika St, z biegunem dodatnim kondensatora szóstego C6 oraz z wyjściem dodatnim układu Wy+.

Zasilające napięcie dodatnie podawane jest na wejście dodatnie We+ impulsowej przetwornicy napięcia według wynalazku, a zasilające napięcie ujemne podawane jest na jej wejście ujemne We-. Różnica potencjałów na wejściach: dodatnim We+ i ujemnym We- układu według wynalazku polaryzuje kondensator filtrujący C1. Prąd z wejścia dodatniego We+ płynie przez równolegle połączone: uzwojenie pierwsze transformatora pierwszego Tr1 z rezystorem R, zasilając zespół szeregowo połączonych kluczy tranzystorowych T1 oraz T2, stanowiących pół mostka typu H. Równolegle dołączony do uzwojenia pierwszego transformatora pierwszego kondensator trzeci C3 stabilizuje napięcie na jego końcówkach, filtrując składowe o wyższych częstotliwościach. Spadek napięcia na równolegle połączonych: uzwojeniu pierwszym transformatora pierwszego Tr1 z rezystorem R, ustala składową stałą napięcia pracy kondensatora trzeciego C3 zgodnie z jego przyjętą polaryzacją. Wartość napięcia stałego polaryzacji kondensatora trzeciego C3 pomniejsza wartość napięcia zasilającego zespół szeregowo połączonych kluczy tranzystorowych T1 oraz T2 oraz ustala napięcie pracy kondensatora filtrującego drugiego C2. Sterownik St poprzez wyjścia sterujące: pierwsze s1 i drugie s2 taktuje komplementarnymi sygnałami prostokątnymi napięcia o zmiennym wypełnieniu PWM bramki tranzystorów: pierwszego T1 i drugiego T2, powodując ich naprzemienne włączanie. Stosunek czasu włączenia tranzystora pierwszego T1 do czasu włączania tranzystora drugiego T2 ustalany jest przez program sterownika St na podstawie pomiarów napięcia podawanego na jego wejście zasilające dodatnie. Rejestrowane na wejściu zasilającym dodatnim sterownika St napięcie mniejsze od nominalnego powoduje wydłużenie czasu włączenia tranzystora pierwszego T1 oraz skrócenie czasu włączenia tranzystora drugiego T2. Rejestrowane na wejściu zasilającym dodatnim sterownika St napięcie większe od nominalnego powoduje skrócenie czasu włączenia tranzystora pierwszego T1 i wydłużenie czasu włączenia tranzystora drugiego T2.

W fazie pierwszej pracy układu według wynalazku, program sterownika St ustawia napięcie dodatnie na wyjściu sterującym pierwszym s1, polaryzując dodatnio bramkę tranzystora pierwszego T1 oraz sterownik St ustawia napięcie niskie na wyjściu sterującym drugim s2, depolaryzując bramkę tranzystora drugiego T2, co powoduje wyłączenie tranzystora drugiego T2. Tranzystor pierwszy T1 zostaje włączony i zaczyna przewodzić prąd z drenu tranzystora pierwszego T1 do jego źródła przez szeregowo połączone uzwojenia: drugie transformatora pierwszego Tr1 i pierwsze transformatora drugiego Tr2 do bieguna dodatniego kondensatora czwartego C4, powodując jego ładowanie, a przez uzwojenie drugie transformatora drugiego Tr2 prąd płynie do wyjścia dodatniego Wy+ układu według wynalazku. Przepływ stałego prądu przez uzwojenia: pierwsze transformatora pierwszego Tr1 drugie transformatora drugiego Tr2 powoduje wstępne stałe magnesowanie ich rdzeni, przesuwając punkt namagnesowania w dolną część charakterystyki magnesowania tych rdzeni, rozszerzając w ten sp osób dwukrotnie zakres przenoszonej energii w polu magnetycznym obu transformatorów w pojedynczym cyklu ich przemagnesowywania wywołanego przez włączenie tranzystora pierwszego T1. W fazie drugiej pracy układu według wynalazku, program sterownika St ustawia napięcie dodatnie na wyjściu sterującym drugim s2, polaryzując dodatnio bramkę tranzystora drugiego T2 oraz sterownik St ustawia napięcie niskie na wyjściu sterującym pierwszym s1, depolaryzując bramkę tranzystora pierwszego T1, co powoduje wyłączenie tranzystora pierwszego T1. Tranzystor drugi T2 zostaje włączony. W fazie drugiej energia zmagazynowana w polu magnetycznym transformatora pierwszego Tr1 oraz transformatora drugiego Tr2, indukuje na zaciskach uzwojeń siłę elektromotoryczną powodującą przepływ prądu z początku uzwojenia drugiego transformatora pierwszego Tr1 do końca uzwojenia pierwszego transformatora drugiego Tr2 i dalej z początku uzwojenia pierwszego transformatora drugiego Tr2 do bieguna dodatniego kondensatora czwartego C4, powodując jego ładowanie, a przez uzwojenie drugie transformatora drugiego Tr2 prąd płynie do wyjścia dodatniego Wy+ impulsowej przetwornicy napięciowej według wynalazku i z wyjścia ujemnego Wy- do źródła tranzystora drugiego T2 i dalej do jego drenu i do końca uzwojenia drugiego transformatora pierwszego Tr1. Równolegle dołączony do uzwojenia drugiego transformatora drugiego Tr2 kondensator piąty C5 stabilizuje napięcie na jego końcówkach, filtrując składowe o wyższych częstotliwościach. Spadek napięcia na uzwojeniu drugim transformatora drugiego Tr2 ustala składową stałą napięcia pracy kondensatora piątego C5 zgodnie z jego przyjętą polaryzacją. Wartość napięcia pracy kondensatora czwartego C4 pomniejszona o wartość napięcia stałego polaryzacji kondensatora piątego C5 ustala napięcie pracy kondensatora filtrującego szóstego C6 i wartość napięcia na wyjściu Wy impulsowej przetwornicy napięciowej według wynalazku.

PL 225 511 B1

Stosunek czasu trwania fazy pierwszej do czasu trwania fazy drugiej cyklu pracy impulsowej przetwornicy napięciowej według wynalazku decyduje o wartości podziału napięcia wejściowego We do wyjściowego Wy.

Claims (1)

1. Impulsowa przetwornica napięcia, w której wejście dodatnie połączone jest z biegunem dodatnim kondensatora pierwszego i źródło tranzystora pierwszego połączone jest z drenem tranzystora drugiego, bramka tranzystora pierwszego połączona jest z wyjściem sterującym pierwszym sterown ika, bramka tranzystora drugiego połączona jest z wyjściem sterującym drugim sterownika, którego wejście zasilające ujemne połączone jest z poziomem odniesienia, a wejście ujemne połączone jest z biegunem ujemnym kondensatora pierwszego, ze źródłem tranzystora drugiego, z biegunem uje mnym kondensatora szóstego, z poziomem odniesienia i z wyjściem ujemnym, znamienna tym, że wejście dodatnie (We+) połączone jest z biegunem dodatnim kondensatora trzeciego (C3), z końcówką pierwszą rezystora (R) i z początkiem uzwojenia pierwszego transformatora pierwszego (Tr1), biegun ujemny kondensatora trzeciego (C3) połączony jest z końcówką drugą rezystora (R), z końcem uzwojenia pierwszego transformatora pierwszego (Tr1), z drenem tranzystora pierwszego (T1) i z biegunem dodatnim kondensatora drugiego (C2), źródło tranzystora pierwszego (T1) połączone jest z końcem uzwojenia drugiego transformatora pierwszego (Tr1), którego początek połączony jest z końcem uzwojenia pierwszego transformatora drugiego (Tr2), a początek uzwojenia pierwszego transformatora drugiego (Tr2) połączony jest z początkiem uzwojenia drugiego transformatora drugiego (Tr2), z biegunem dodatnim kondensatora czwartego (C4) i z biegunem dodatnim kondensatora piątego (C5), zaś koniec uzwojenia drugiego transformatora drugiego (Tr2) połączony jest z biegunem ujemnym kondensatora piątego (C5), z biegunem dodatnim kondensatora szóstego (C6) i z wyjściem dodatnim (Wy+).