RU2589030C1

RU2589030C1 - Ac into dc voltage converter

Info

Publication number: RU2589030C1
Application number: RU2014152438/07A
Authority: RU
Inventors: Николай Александрович Волобуев; Алексей Юрьевич Наймушин
Original assignee: Акционерное общество "Научно-производственное объединение автоматики имени академика Н.А. Семихатова"
Priority date: 2014-12-23
Filing date: 2014-12-23
Publication date: 2016-07-10

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention can be used in secondary power sources as AC into DC voltage converter. AC into DC voltage converter includes primary winding of first transformer, which beginning is connected to anode of first diode, cathode is connected to anode of second diode, which cathode is connected to drain of first MIS transistor with n-channel, which gate is input for control signal U_contr1, which source is connected to second input of converter. Beginning of second transformer primary winding is connected to anode of third diode, which cathode is connected to anode of fourth diode, which cathode is connected to drain of second MIS transistor with n-channel, which gate is input for control signal U_contr2, and source is connected to first input of converter. Input capacitor is connected in parallel to inputs of converter. First output of storage capacitor is connected between cathode of first diode and anode of second diode, second output of storage capacitor is connected between cathode of third diode and anode of fourth diode. Beginning of secondary winding of first transformer is connected to positive output of converter, and end is connected to negative output of converter. First output of output capacitor is connected to positive output of converter, second output of output capacitor is to negative output of converter.

EFFECT: increased reliability and improvement of efficiency.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, радиоэлектронике и предназначено для использования в источниках вторичного электропитания в качестве преобразователя переменного напряжения в постоянное.The invention relates to electrical engineering, electronics and is intended for use in secondary power sources as an AC to DC converter.

Известно устройство для преобразования постоянного напряжения в постоянное, выбранное в качестве аналога (патент US 6473318 на изобретение от 20.11.2000 г.). Данное устройство содержит первый, второй и третий диод, импульсный трансформатор с двумя первичными и одной вторичной обмоткой, МДП-транзистор с n-каналом, первый и второй конденсаторы. Причем первый вывод первой первичной обмотки трансформатора присоединен к положительному входу преобразователя. Второй вывод присоединен к истоку МДП-транзистора с n-каналом, первый вывод второй первичной обмотки трансформатора - к аноду первого диода, второй вывод второй первичной обмотки трансформатора - к катоду второго диода, при этом катод первого диода присоединен к положительному входу преобразователя, а анод второго диода - к отрицательному входу преобразователя, отрицательный вывод первого конденсатора присоединен между анодом первого диода и первым выводом второй первичной обмотки трансформатора, исток МДП-транзистора с n-каналом присоединен к отрицательному входу преобразователя, первый вывод вторичной обмотки соединен с анодом третьего диода. Второй вывод вторичной обмотки соединен с отрицательным выводом нагрузки, катод третьего диода соединен с положительным выводом нагрузки, второй конденсатор присоединен параллельно нагрузке.A device is known for converting direct voltage to constant, selected as an analogue (US patent 6473318 for an invention dated November 20, 2000). This device contains a first, second and third diode, a pulse transformer with two primary and one secondary winding, an MOS transistor with an n-channel, the first and second capacitors. Moreover, the first output of the first primary winding of the transformer is connected to the positive input of the Converter. The second terminal is connected to the source of the MOS transistor with an n-channel, the first terminal of the second transformer primary winding is connected to the anode of the first diode, the second terminal of the second transformer primary winding is connected to the cathode of the second diode, while the cathode of the first diode is connected to the positive input of the converter, and the anode the second diode - to the negative input of the converter, the negative terminal of the first capacitor is connected between the anode of the first diode and the first terminal of the second primary winding of the transformer, the source of the MOS transistor with an n-channel Din to the negative input of the Converter, the first output of the secondary winding is connected to the anode of the third diode. The second terminal of the secondary winding is connected to the negative terminal of the load, the cathode of the third diode is connected to the positive terminal of the load, the second capacitor is connected in parallel with the load.

Недостатками данного устройства являются низкий коэффициент полезного действия и низкая надежность за счет большого количества элементов, на которых происходит рассеивание энергии.The disadvantages of this device are the low efficiency and low reliability due to the large number of elements on which energy dissipation occurs.

Известное устройство для преобразования переменного напряжения в постоянное, выбранное в качестве прототипа (патент US 6819575 на изобретение от 25.07.2002 г.). Данное устройство содержит входной выпрямительный диодный мост, первый и второй трансформаторы, первый, второй, третий, четвертый и пятый диоды, первый и второй конденсаторы, выходной дроссель. Причем входные выводы диодного моста подключены к источнику переменного напряжения, положительный выходной вывод соединен с первым выводом первичной обмотки первого трансформатора, отрицательный выходной вывод соединен со стоком МДП-транзистора с n-каналом и отрицательным выводом накопительного конденсатора, Второй вывод первичной обмотки трансформатора соединен с анодами первого и второго диода. Катод первого диода соединен с истоком МДП-транзистора с n-каналом и с втором выводом первичной обмотки второго трансформатора. Катод второго диода соединен с положительным выводом накопительного конденсатора и с первым выводом первичной обмотки второго трансформатора. Первый вывод вторичной обмотки первого трансформатора соединен с анодом третьего диода, второй вывод подключен к отрицательному выходному выводу. Катод третьего диода подключен к положительному выходному выводу. Первый вывод вторичной обмотки второго трансформатора подключен к аноду четвертого диода, второй вывод вторичной обмотки второго трансформатора подключен к отрицательному выходному выводу. Катод четвертого диода подключен к первому выводу выходного дросселя. Второй вывод выходного дросселя подключен к положительному выходному выводу. Катод пятого диода подключен между катодом четвертого диода и первым выводом выходного дросселя, анод пятого диода подключен к отрицательному выходному выводу.A known device for converting AC voltage to DC, selected as a prototype (US patent 6819575 for the invention of 07.25.2002). This device contains an input rectifier diode bridge, first and second transformers, first, second, third, fourth and fifth diodes, first and second capacitors, output choke. Moreover, the input terminals of the diode bridge are connected to an AC voltage source, the positive output terminal is connected to the first terminal of the primary winding of the first transformer, the negative output terminal is connected to the drain of the MOS transistor with an n-channel and the negative terminal of the storage capacitor, The second terminal of the primary winding of the transformer is connected to the anodes first and second diode. The cathode of the first diode is connected to the source of the MOS transistor with an n-channel and to the second terminal of the primary winding of the second transformer. The cathode of the second diode is connected to the positive terminal of the storage capacitor and to the first terminal of the primary winding of the second transformer. The first terminal of the secondary winding of the first transformer is connected to the anode of the third diode, the second terminal is connected to the negative output terminal. The cathode of the third diode is connected to a positive output terminal. The first terminal of the secondary winding of the second transformer is connected to the anode of the fourth diode, the second terminal of the secondary winding of the second transformer is connected to the negative output. The cathode of the fourth diode is connected to the first output of the output choke. The second output of the output choke is connected to the positive output. The cathode of the fifth diode is connected between the cathode of the fourth diode and the first output of the output choke, the anode of the fifth diode is connected to the negative output terminal.

Недостатками данного устройства являются низкий коэффициент полезного действия и низкая надежность за счет большого количества элементов, на которых происходит рассеивание энергии и выбросом напряжения на транзисторе от энергии, накопленной в индуктивности рассеивания обмотки трансформатора.The disadvantages of this device are the low efficiency and low reliability due to the large number of elements on which the energy is dissipated and the surge voltage is released from the energy stored in the dissipation inductance of the transformer winding.

Технические результаты заявленного изобретения заключаются в увеличении надежности и повышении коэффициента полезного действия за счет организации преобразователя для каждой половины периода входного переменного напряжения отдельно.The technical results of the claimed invention are to increase reliability and increase the efficiency due to the organization of the Converter for each half of the period of the input AC voltage separately.

Для достижения указанного технического результата устройство содержит первичную обмотку первого трансформатора, начало которой соединено с анодом первого диода, катод которого соединен с анодом второго диода, катод которого соединен со стоком первого МДП-транзистора с n-каналом, затвор которого является входом для управляющего сигнала U_упр1, исток которого соединен со вторым входом преобразователя. Начало первичной обмотки второго трансформатора соединено с анодом третьего диода, катод которого соединен с анодом четвертого диода, катод которого соединен со стоком второго МДП-транзистора с n-каналом, затвор которого является входом для управляющего сигнала U_упр2, исток которого соединен с первым входом преобразователя. Входной конденсатор подключен параллельно входам преобразователя. Первый вывод накопительного конденсатора подключен между катодом первого диода и анодом второго диода, второй вывод накопительного конденсатора подключен между катодом третьего диода и анодом четвертого диода. Начало вторичной обмотки первого трансформатора подключено к положительному выходу преобразователя, а конец подключен к отрицательному выходу преобразователя. Первый вывод выходного конденсатора подключен к положительному выходу преобразователя, второй вывод выходного конденсатора к отрицательному выходу преобразователя. To achieve this technical result, the device comprises a primary winding of the first transformer, the beginning of which is connected to the anode of the first diode, the cathode of which is connected to the anode of the second diode, the cathode of which is connected to the drain of the first MOS transistor with an n-channel, the gate of which is an input for the control signal U _control1 , the source of which is connected to the second input of the converter. The beginning of the primary winding of the second transformer is connected to the anode of the third diode, the cathode of which is connected to the anode of the fourth diode, the cathode of which is connected to the drain of the second MOS transistor with an n-channel, the gate of which is an input for the control signal U _control2 , the source of which is connected to the first input of the converter . The input capacitor is connected in parallel with the inputs of the converter. The first terminal of the storage capacitor is connected between the cathode of the first diode and the anode of the second diode, the second terminal of the storage capacitor is connected between the cathode of the third diode and the anode of the fourth diode. The beginning of the secondary winding of the first transformer is connected to the positive output of the converter, and the end is connected to the negative output of the converter. The first output of the output capacitor is connected to the positive output of the converter, the second output of the output capacitor to the negative output of the converter.

Изобретение поясняется схемами:The invention is illustrated by schemes:

фиг. 1 - Структурная схема преобразования переменного напряжения в постоянное;FIG. 1 - Block diagram of the conversion of AC to DC;

фиг. 2 - Временная диаграмма управления транзисторами в зависимости от входного и выходного напряжения преобразователя;FIG. 2 - Timing diagram of the control of transistors depending on the input and output voltage of the converter;

фиг. 3 - Форма токов в обмотках трансформаторов и форма выходного напряжения преобразователя в при подаче управляющих импульсов на транзисторы.FIG. 3 - The shape of the currents in the transformer windings and the shape of the output voltage of the converter in the supply of control pulses to transistors.

Преобразователь переменного напряжения в постоянное содержит:The AC to DC converter contains:

1.1 - первый вход преобразователя;1.1 - the first input of the Converter;

1.2 - второй вход преобразователя;1.2 - the second input of the Converter;

2 - входной конденсатор;2 - input capacitor;

3 - выходной конденсатор;3 - output capacitor;

4 - накопительный конденсатор;4 - storage capacitor;

5 - первый МДП-транзистор с n-каналом;5 - the first MOS transistor with n-channel;

6 - второй МДП-транзистор с n-каналом;6 - second MOS transistor with an n-channel;

7.1 - первичная обмотка первого трансформатора;7.1 - primary winding of the first transformer;

7.2 - вторичная обмотка первого трансформатора;7.2 - secondary winding of the first transformer;

8 - первый диод;8 - the first diode;

9 - второй диод;9 - second diode;

10.1 - первичная обмотка второго трансформатора;10.1 - primary winding of the second transformer;

10.2 - вторичная обмотка второго трансформатора;10.2 - secondary winding of the second transformer;

11 - третий диод;11 - the third diode;

12 - пятый диод;12 - fifth diode;

13.1 - положительный выход преобразователя;13.1 - positive output of the Converter;

13.2 - отрицательный выход преобразователя.13.2 - negative output of the converter.

14 - четвертый диод;14 - fourth diode;

Функционирование заявляемого преобразователя переменного напряжения в постоянное происходит следующим образом.The functioning of the inventive converter of alternating voltage to constant is as follows.

В начальный момент времени входное напряжение преобразователя на входах 1.1 и 1.2 равно 0. Входной конденсатор 2, выходной конденсатор 3 и накопительный конденсатор 4 - заряжены. Далее величина напряжения начинает увеличивается. На затвор МДП-транзистора с n-каналом 5 подается сигнал управления U_упр1, частота импульсов которого зависит от входного и выходного напряжения преобразователя и регулируется контроллером управления, как показано на фигуре 2. На затвор МДП-транзистора с n-каналом 6 подается сигнал управления U_упр2, который на протяжении всей положительной полуволны входного напряжения равен напряжению включения транзистора. В момент времени, когда значение сигнала управления U_упр1 равно напряжению включения транзистора, сопротивление канала МДП-транзистора с n-каналом 5 уменьшается, вследствие чего по цепи вход преобразователя 1.1 - первичная обмотка трансформатора 7.1 - диод 8 - диод 9 - МДП-транзистора с n-каналом 5 - вход 1.2 начинает протекать ток. Одновременно с этим по цепи диод 9 - МДП-транзистор с n-каналом 5 - первичная обмотка трансформатора 10.1 - диод 11 происходит разряд накопительного конденсатора 4. В то же время происходит разряд входного конденсатора 2 по цепи первичная обмотка трансформатора 7.1 - диод 8 -диод 9 - МДП-транзистора с n-каналом 5. Так как в этот момент выпрямительный диод 12 закрыт, энергия накапливается в первом и втором трансформаторе, а выходной конденсатор 3 разряжается в нагрузку по цепи выход преобразователя 13.1 - выход преобразователя 13.2. После перехода сигнала U_упр1 в выключенное состояние, МДП-транзистор с n-каналом 5 закрывается, напряжение в первичной обмотке трансформатора 7.1 и первичной обмотке трансформатора 10.1 меняет полярность, ток во вторичной обмотке трансформатора 7.2 и во вторичной обмотке трансформатора 10.2 начинает протекать через выпрямительный диод 12, заряжать выходной конденсатор 3 и течь в нагрузку через выход преобразователя 13.1, нагрузку, выход преобразователя 13.2. Энергия, запасенная в индуктивности рассеивания первой обмотки трансформатора 7.1, через диод 8 восстанавливается в накопительный конденсатор 4. Энергия, запасенная в индуктивности рассеивания первичной обмотки трансформатора 10.1, через диод 11, диод 14, МДП-транзистор с n-каналом 6 восстанавливается в входной конденсатор 2. В то же время входной конденсатор 2 заряжается через вход преобразователя 1.1 и вход преобразователя 1.2.At the initial time, the input voltage of the converter at inputs 1.1 and 1.2 is 0. The input capacitor 2, the output capacitor 3, and the storage capacitor 4 are charged. Further, the magnitude of the voltage begins to increase. To the gate of an MOS transistor with n-channel 5, a control signal U _{control1 is supplied} , the pulse frequency of which depends on the input and output voltage of the converter and is controlled by the control controller, as shown in figure 2. A control signal is supplied to the gate of an MOS transistor with n-channel 6 U _upr2 , which throughout the positive half-wave of the input voltage is equal to the turn-on voltage of the transistor. At the time when the value of the control signal U _upr1 is equal to the turn-on voltage of the transistor, the resistance of the channel of the MOS transistor with n-channel 5 decreases, as a result of which the input of the transformer 1.1 - the primary winding of the transformer 7.1 - diode 8 - diode 9 - MIS transistor n-channel 5 - input 1.2 begins to flow current. At the same time, the diode 9 circuit - MIS transistor with n-channel 5 - the primary winding of the transformer 10.1 - diode 11 discharges the storage capacitor 4 at the same time. At the same time, the input capacitor 2 is discharged along the primary transformer winding circuit 7.1 - the diode 8 is the diode 9 - MIS transistor with n-channel 5. Since at this moment the rectifier diode 12 is closed, energy is accumulated in the first and second transformers, and the output capacitor 3 is discharged into the load through the circuit, the output of the converter 13.1 - the output of the converter 13.2. After the signal U _{control1 goes} off, the MOS transistor with n-channel 5 closes, the voltage in the primary winding of the transformer 7.1 and the primary winding of the transformer 10.1 changes polarity, the current in the secondary winding of the transformer 7.2 and in the secondary winding of the transformer 10.2 starts to flow through the rectifier diode 12, charge the output capacitor 3 and flow into the load through the output of the converter 13.1, the load, the output of the converter 13.2. The energy stored in the dissipation inductance of the first winding of the transformer 7.1 is restored through the diode 8 to the storage capacitor 4. The energy stored in the dissipation inductance of the primary winding of the transformer 10.1 is restored to the input capacitor through the diode 11, diode 14, MIS transistor with n-channel 6 2. At the same time, the input capacitor 2 is charged through the input of the converter 1.1 and the input of the converter 1.2.

Входное напряжение меняет полярность. Далее величина напряжения начинает уменьшаться. На затвор МДП-транзистора с n-каналом 6 подается сигнал управления U_упр2, частота импульсов которого зависит от входного и выходного напряжения преобразователя и регулируется контроллером управления, как показано на фигуре 2. На затвор МДП-транзистора с n-каналом 5 подается сигнал управления U_упр1, который на протяжении всей отрицательной полуволны входного напряжения равен напряжению включения транзистора. В момент времени, когда значение сигнала управления U_упр2 равно напряжению включения транзистора, сопротивление канала МДП-транзистора с n-каналом 6 уменьшается, вследствие чего по цепи вход преобразователя 1.2 - первичная обмотка трансформатора 10.1 - диод 11 - диод 14 - МДП-транзистор с n-каналом 6 - вход 1.1 начинает протекать ток. Одновременно с этим по цепи диод 14 - МДП-транзистора с n-каналом 6 - первичная обмотка трансформатора 7.1 - диод 8 происходит разряд накопительного конденсатора 4. В то же время происходит разряд входного конденсатора 2 по цепи первичная обмотка трансформатора 10.1 - диод 11 - диод 14 - МДП-транзистора с n-каналом 6. Так как выпрямительный диод 12 закрыт, энергия накапливается в первом и втором трансформаторе, а выходной конденсатор 3 разряжается в нагрузку по цепи выход преобразователя 13.1 - выход преобразователя 13.2. После перехода сигнала U_упр2 в выключенное состояние, МДП-транзистор с n-каналом 6 закрывается, напряжение в первичной обмотке трансформатора 7.1 и первичной обмотке трансформатора 10.1 меняет полярность, ток во вторичной обмотке трансформатора 7.2 и во вторичной обмотке трансформатора 10.2 начинает протекать через выпрямительный диод 12, начинает заряжать выходной конденсатор 3 и течь в нагрузку через выход преобразователя 13.1, нагрузку, выход преобразователя 13.2. Энергия, запасенная в индуктивности рассеивания первой обмотки трансформатора 10.1, через диод 11 восстанавливается в накопительный конденсатор 4. Энергия, запасенная в индуктивности рассеивания первой обмотки трансформатора 7.1, через диод 8, диод 9, МДП-транзистор с n-каналом 5 восстанавливается во входной конденсатор 2.Input voltage reverses polarity. Further, the magnitude of the voltage begins to decrease. The control signal U _upr2 is supplied to the gate of an MOS transistor with n-channel 6, the pulse frequency of which depends on the input and output voltage of the converter and is controlled by the control controller, as shown in figure 2. The control signal is supplied to the gate of an MOS transistor with n-channel 5 U _control1 , which throughout the negative half-wave of the input voltage is equal to the voltage of the transistor. At the time when the value of the control signal U _upr2 is equal to the turn-on voltage of the transistor, the resistance of the channel of the MOS transistor with n-channel 6 decreases, as a result of which the input of the converter 1.2 - the primary winding of the transformer 10.1 - diode 11 - diode 14 - MIS transistor n-channel 6 - input 1.1 begins to flow current. At the same time, the diode 14 circuit of the MOS transistor with n-channel 6 is the primary winding of the transformer 7.1 - diode 8 and the storage capacitor 4 is discharged. At the same time, the input capacitor 2 is discharged along the primary winding of the transformer 10.1 - diode 11 - diode 14 - MIS transistor with n-channel 6. Since the rectifier diode 12 is closed, energy is accumulated in the first and second transformers, and the output capacitor 3 is discharged into the load through the circuit, the output of the converter 13.1 - the output of the converter 13.2. After the transition of the signal U _control2 to the off state, the MOS transistor with n-channel 6 closes, the voltage in the primary winding of the transformer 7.1 and the primary winding of the transformer 10.1 changes polarity, the current in the secondary winding of the transformer 7.2 and in the secondary winding of the transformer 10.2 starts to flow through the rectifier diode 12, begins to charge the output capacitor 3 and flow into the load through the output of the converter 13.1, the load, the output of the converter 13.2. The energy stored in the dissipation inductance of the first winding of the transformer 10.1, through the diode 11 is restored to the storage capacitor 4. The energy stored in the dissipation inductance of the first winding of the transformer 7.1, through the diode 8, diode 9, the MOS transistor with n-channel 5 is restored to the input capacitor 2.

Повышение КПД в предлагаемом устройстве достигается за счет отсутствия входного выпрямительного диодного моста, тем самым уменьшая общее количество полупроводниковых элементов, по которым протекает входной ток преобразователя, и уменьшая падение напряжения на преодоление их р-n переходов, и за счет отсутствия выходного сглаживающего дросселя, потери на котором обусловлены падением напряжения на его омическом сопротивлении и затратами энергии на создание потока рассеивания и заряд паразитных емкостей.The efficiency increase in the proposed device is achieved due to the absence of an input rectifier diode bridge, thereby reducing the total number of semiconductor elements through which the input current of the converter flows, and reducing the voltage drop to overcome their pn junctions, and due to the absence of an output smoothing inductor, losses on which are caused by a voltage drop on its ohmic resistance and energy costs to create a dissipation stream and a charge of stray capacitances.

Повышение надежности в предлагаемом устройстве достигается за счет уменьшения общего количества элементов, а также улучшения условий работы транзисторов с помощью схемы поглощения выброса энергии, накопленной индуктивностями рассеивания первичных обмоток трансформаторов.Improving the reliability in the proposed device is achieved by reducing the total number of elements, as well as improving the working conditions of transistors using the absorption circuit of the energy emission accumulated by the inductance dissipation of the primary windings of the transformers.

Таким образом, использование предложенного технического решения в качестве преобразователя переменного напряжения в постоянное за счет организации преобразователя для каждой половины периода входного переменного напряжения отдельно позволяет увеличить надежность и повысить коэффициент полезного действия.Thus, the use of the proposed technical solution as an AC to DC converter due to the organization of the converter for each half of the input AC voltage period separately allows to increase reliability and increase the efficiency.

Claims

An AC to DC converter containing the first and second inputs of the converter, the primary winding of the first transformer, the beginning of which is connected to the anode of the first diode, the cathode of which is connected to the first output of the storage capacitor, the first MOS transistor with an n-channel, the gate of which is an input for the control _upr1 signal U, the drain of which is connected to the cathode of the second diode, the primary winding of the second transformer, the secondary winding of the first transformer, the output capacitor, a first terminal kotorog connected to the positive output of the converter, the second output of which is connected to the negative output of the converter, the secondary winding of the second transformer, the beginning of which is connected to the anode of the fifth diode, the end of which is connected to the negative output of the converter, characterized in that the source of the first MOS transistor with an n-channel is connected with the second input of the converter, the end of the primary winding of the second transformer is connected to the second input of the converter, the end of the primary winding of the first transformer is connected to the first m of the converter input, the beginning of the secondary winding of the first transformer is connected to the positive output of the converter, the end of the secondary winding of the first transformer is connected to the cathode of the fifth diode, the anode of the second diode is connected to the cathode of the first diode, an additional input capacitor is added, the first output of which is connected to the first input of the converter, the second the output of which is connected to the second input of the converter, an additional MOS transistor with an n-channel is added, the gate of which is an input for the control signal ala U _upr2, the source of which is connected to the first input inverter, the drain of which is connected to the cathode of the further addition of the fourth diode, the anode of which, in turn, connected to the second terminal of the storage capacitor, added an additional third diode, the cathode of which is connected to the second terminal of the storage capacitor, and the anode is connected to the beginning of the primary winding of the second transformer.