RU2829317C1 - Low-voltage dc voltage converter with active clamping - Google Patents
Low-voltage dc voltage converter with active clamping Download PDFInfo
- Publication number
- RU2829317C1 RU2829317C1 RU2024113592A RU2024113592A RU2829317C1 RU 2829317 C1 RU2829317 C1 RU 2829317C1 RU 2024113592 A RU2024113592 A RU 2024113592A RU 2024113592 A RU2024113592 A RU 2024113592A RU 2829317 C1 RU2829317 C1 RU 2829317C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- voltage
- transformer
- series
- input
- low
- Prior art date
Links
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims abstract description 41
- 230000005669 field effect Effects 0.000 claims abstract description 7
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 6
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 7
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 abstract description 7
- 230000003068 static effect Effects 0.000 abstract description 4
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract description 3
- 238000005457 optimization Methods 0.000 abstract description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 abstract description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 abstract 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 230000003019 stabilising effect Effects 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к электротехнике, в частности преобразователям постоянного напряжения в постоянное, и может быть использовано в системах вторичного электропитания для преобразования, регулирования и стабилизации постоянного выходного напряжения, гальванически отделенного от входного постоянного напряжения и уменьшения статических потерь мощности.The invention relates to electrical engineering, in particular to DC to DC converters, and can be used in secondary power supply systems for converting, regulating and stabilising a DC output voltage, galvanically separated from the DC input voltage and reducing static power losses.
Известны преобразователи постоянного напряжения с активным клампированием [1].DC-DC converters with active clamping are known [1].
Недостатком известного преобразователя постоянного напряжения с активным клампированием является необходимость использования двух вторичных обмоток с незначительным отличием по числу витков и неэффективным их использованием, что приводит к дополнительной потере мощности, необходимость использования специальной схемы управления синхронными выпрямителями, не оптимальность магнитных свойств трансформатора.The disadvantage of the known DC-DC converter with active clamping is the need to use two secondary windings with a slight difference in the number of turns and their inefficient use, which leads to additional power loss, the need to use a special control circuit for synchronous rectifiers, and non-optimal magnetic properties of the transformer.
Наиболее близок по технической сущности к предлагаемому устройству преобразователь постоянного напряжения с активным клампированием приведенный в [1], содержащий первичную обмотку трансформатора, подключённую через силовой регулирующий ключ к зажимам входного источника постоянного напряжения, параллельно которой подключен клампирующий элемент, составленный из последовательно соединенных конденсатора и дополнительного ключа, трансформатор, осуществляющий электрическую развязку и получение требуемого уровня постоянного выходного напряжения, вторичные обмотки, подключённые через выпрямительные диоды ко входу Г-образного LC-фильтра, к выходу которого подключена нагрузка. The closest in technical essence to the proposed device is a DC/DC converter with active clamping given in [1], containing a primary winding of a transformer connected via a power regulating key to the terminals of an input DC voltage source, in parallel to which a clamping element is connected, consisting of a series-connected capacitor and an additional key, a transformer that performs electrical isolation and obtains the required level of DC output voltage, secondary windings connected via rectifier diodes to the input of an L-shaped LC filter, to the output of which a load is connected.
Цель изобретения - формирование низковольтного постоянного выходного напряжения из высоковольтного постоянного входного напряжения, уменьшение статических потерь, упрощение управления синхронным выпрямителями и оптимизация магнитных свойств трансформатора.The purpose of the invention is to form a low-voltage direct current output voltage from a high-voltage direct current input voltage, reduce static losses, simplify the control of synchronous rectifiers and optimize the magnetic properties of the transformer.
Поставленная цель достигается тем, что в низковольтном преобразователе постоянного напряжения с активным клампированием, первичная обмотка трансформатора которого через силовой регулирующий ключ подключена к зажимам входного источника постоянного напряжения, параллельно которой включен клампирующий элемент, две вторичные обмотки включены последовательно и согласно с первым выпрямительным диодом, второй выпрямительный диод катодом включен к общей точке соединения последовательно включенных вторичных обмоток, а анодом к аноду первого выпрямительного диода, и подключены к входным зажимам Г-образного LC-фильтра, к выходным зажимам которого подключена нагрузка, при этом управление синхронными выпрямителями осуществляется от обмотки трансформатора, а оптимизация магнитных свойств трансформатора достигается включением обмотки трансформатора последовательно с индуктивностью Г-образного LC-фильтра. The stated objective is achieved by the fact that in a low-voltage DC/DC converter with active clamping, the primary winding of the transformer of which is connected via a power regulating key to the terminals of the input DC voltage source, in parallel to which a clamping element is connected, two secondary windings are connected in series and in accordance with the first rectifier diode, the second rectifier diode is connected with its cathode to the common connection point of the series-connected secondary windings, and with its anode to the anode of the first rectifier diode, and are connected to the input terminals of an L-shaped LC filter, to the output terminals of which a load is connected, wherein the control of the synchronous rectifiers is carried out from the transformer winding, and the optimization of the magnetic properties of the transformer is achieved by connecting the transformer winding in series with the inductance of the L-shaped LC filter.
На фиг.1, 2 и 3 показаны принципиальные электрические схемы вариантов выполнения предлагаемого низковольтного преобразователя постоянного напряжения с активным клампированием.Fig. 1, 2 and 3 show the basic electrical circuit diagrams of embodiments of the proposed low-voltage DC converter with active clamping.
На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема низковольтного преобразователя постоянного напряжения с активным клампированием; на фиг.2 представлена принципиальная электрическая схема низковольтного преобразователя постоянного напряжения с активным клампированием c использованием синхронных выпрямителей вместо выпрямительных диодов и управлением от обмотки трансформатора; на фиг.3 представлена принципиальная электрическая схема низковольтного преобразователя постоянного напряжения с активным клампированием с введением дополнительной обмотки намагничивания последовательно с индуктивностью Г-образного LC-фильтра.Fig. 1 shows the basic electrical circuit diagram of a low-voltage DC/DC converter with active clamping; Fig. 2 shows the basic electrical circuit diagram of a low-voltage DC/DC converter with active clamping using synchronous rectifiers instead of rectifier diodes and control from a transformer winding; Fig. 3 shows the basic electrical circuit diagram of a low-voltage DC/DC converter with active clamping with the introduction of an additional magnetization winding in series with the inductance of an L-shaped LC filter.
В нем (фиг.1) начало первичной обмотки 1 трансформатора 2 соединено с положительным полюсом входного источника постоянного напряжения, а конец первичной обмотки 1 через силовой регулирующий ключ 3, реализованный в виде полевого транзистора MOSFET, подключен к отрицательному полюсу входного источника постоянного напряжения. Параллельно первичной обмотке 1 трансформатора 2 включен клампирующий элемент, составленный из последовательно соединенных конденсатора 4 и дополнительного ключа 5, реализованного в виде полевого транзистора MOSFET. Конец первой вторичной обмотки 6 соединен последовательно с началом второй вторичной обмотки 7, конец которой подключен к катоду диода 8, а начало второй вторичной обмотки 7 подключено к катоду диода 9, аноды диодов 8 и 9 объединены в общую точку соединения. Начало вторичной обмотки 6 трансформатора 2 и общая точка соединения анодов диодов 8 и 9 подключены ко входу Г-образного LC-фильтра 10, параллельно выходным зажимам которого подключена нагрузка 11. Управляющие электроды ключей 3, 5 подключены к широтно-импульсному контроллеру 12. In it (Fig. 1) the beginning of the primary winding 1 of the transformer 2 is connected to the positive pole of the input source of direct voltage, and the end of the primary winding 1 through the power regulating key 3, implemented in the form of a MOSFET field-effect transistor, is connected to the negative pole of the input source of direct voltage. A clamping element is connected in parallel to the primary winding 1 of the transformer 2, consisting of a series-connected capacitor 4 and an additional key 5, implemented in the form of a MOSFET field-effect transistor. The end of the first secondary winding 6 is connected in series with the beginning of the second secondary winding 7, the end of which is connected to the cathode of the diode 8, and the beginning of the second secondary winding 7 is connected to the cathode of the diode 9, the anodes of the diodes 8 and 9 are united in a common connection point. The beginning of the secondary winding 6 of the transformer 2 and the common connection point of the anodes of the diodes 8 and 9 are connected to the input of the L-shaped LC filter 10, in parallel to the output terminals of which the load 11 is connected. The control electrodes of the keys 3, 5 are connected to the pulse-width controller 12.
Принцип действия предлагаемого низковольтного преобразователя постоянного напряжения с активным клампированием рассмотрим исходя из предположения идеальности ключевых элементов, установившегося режима работы и непрерывности изменения магнитного потока в сердечнике трансформатора 2. Обозначим через D относительную к периоду T длительность включенного состояния ключа 3. В этом случае на этапе замкнутого состояния DT ключа 3 происходит передача энергии в нагрузку через последовательно включенные обмотки 6, 7, прямосмещенный диод 8 и Г-образный LC-фильтр, в то время как диод 9 заперт и находится под обратным смещением, равным n 2 V IN , где n 2 - есть отношение витков обмоток 7 к 1, а n 1 - есть отношение суммы витков 6 и 7 к 1. При выключении силового регулирующего ключа 3 происходит включение дополнительного ключа 5 клампирующего элемента и на всех обмотках трансформатора происходит переполюсовка напряжений, а на первичной обмотке 1 трансформатора 2 устанавливается напряжение V IN D/(1-D) равное среднему напряжению на конденсаторе 4 клампирующего элемента. Это напряжение трансформируется во вторичные обмотки 6, 7 трансформатора 2 в виде напряжения с отрицательным знаком, что приводит к переключению тока дросселя Г-образного LC-фильтра на диод, находящийся под меньшим отрицательным напряжением, в нашем случае диод 9, поскольку число витков вторичной обмотки 6 меньше суммы числа витков вторичных обмоток 6 и 7. На этом интервале времени (1-D)T, проводящего состояния дополнительного ключа 5 клампирующего элемента, обратное напряжение на запертом диоде 8 равно n 2 V IN D/(1-D). Таким образом, на входе Г-образного LC-фильтра действует разнополярное напряжение равное n 1 V IN на интервале времени DT, включенного состояния регулирующего ключа 3, и отрицательное напряжение (n 1 -n 2 )V IN D/(1-D) на интервале времени (1-D)T, включенного дополнительного ключа 5 клампирующего элемента.The operating principle of the proposed low-voltage DC/DC converter with active clamping will be considered based on the assumption of ideal key elements, steady-state operation and continuous change of magnetic flux in the core of transformer 2. Let D denote the duration of the on state of switch 3 relative to the period T. In this case, at the stage of the closed state DT of switch 3, energy is transferred to the load through series-connected windings 6, 7, forward-biased diode 8 and the L-shaped LC filter, while diode 9 is blocked and is under reverse bias equal to n 2 V IN , where n 2 is the ratio of turns of windings 7 to 1, and n 1 is the ratio of the sum of turns 6 and 7 to 1. When power regulating switch 3 is turned off, additional switch 5 of the clamping element is turned on and a polarity reversal of voltages occurs on all windings of the transformer, and a voltage of V IN is established on the primary winding 1 of transformer 2. D/(1-D) equal to the average voltage on the capacitor 4 of the clamping element. This voltage is transformed into the secondary windings 6, 7 of the transformer 2 in the form of a voltage with a negative sign, which leads to switching the current of the choke of the L-shaped LC filter to the diode, which is under a lower negative voltage, in our case diode 9, since the number of turns of the secondary winding 6 is less than the sum of the number of turns of the secondary windings 6 and 7. In this time interval (1-D)T , the conducting state of the additional key 5 of the clamping element, the reverse voltage on the locked diode 8 is equal to n 2 V IN D/(1-D) . Thus, at the input of the L-shaped LC filter there is a voltage of different polarities equal to n 1 V IN during the time interval DT , the switched-on state of the regulating switch 3, and a negative voltage (n 1 -n 2 )V IN D/(1-D) during the time interval (1-D)T , the switched-on additional switch 5 of the clamping element.
Вследствие этого на нагрузке устанавливается выходное напряжение (n 1 -n 2 )V IN D, а ток через силовой регулирующей ключ 3 равен (n 1 -n 2 )I L . Таким образом низкое выходное напряжение определяется в основном разностью коэффициентов трансформаций при любых значениях n 1 и n 2 , что позволяет обеспечить хороший коэффициент связи между первичной и вторичными обмотками трансформатора 2 при значительном различии величин входного (десятки вольт) и выходного (единиц и даже долей вольт) напряжений.As a result, the output voltage (n 1 -n 2 )V IN D is established on the load, and the current through the power control key 3 is equal to (n 1 -n 2 )I L . Thus, the low output voltage is determined mainly by the difference in the transformation ratios for any values of n 1 and n 2 , which allows for a good coupling coefficient between the primary and secondary windings of transformer 2 with a significant difference in the values of the input (tens of volts) and output (units and even fractions of a volt) voltages.
При низком выходном напряжении, которое реализуется в предлагаемом устройстве, прямые падения напряжений на диодах, находящихся в проводящемся состоянии, оказываются существенными, что влияет на коэффициент полезного действия. Для снижения этого влияния целесообразно вместо выпрямительных диодов использовать синхронные выпрямители 13, 14 реализованные на полевых транзисторах MOSFET со схемой управления реализованной в виде обмотки 15 трансформатора 2 с последовательно включенным резистором 16, включенной между управляющими электродами MOSFET, параллельно которым включены резисторы 17, 18 фиг.2, что при необходимости не исключает использование специализированной схемы управления. At low output voltage, which is realized in the proposed device, direct voltage drops on the diodes in the conducting state are significant, which affects the efficiency. To reduce this effect, it is advisable to use synchronous rectifiers 13, 14, realized on MOSFET field-effect transistors with a control circuit realized in the form of a winding 15 of a transformer 2 with a series-connected resistor 16, connected between the control electrodes of the MOSFET, in parallel to which resistors 17, 18 are connected in Fig. 2, instead of rectifier diodes, which, if necessary, does not exclude the use of a specialized control circuit.
На интервале времени (1-D)T работы клампирующего элемента 5, 4 не происходит передачи энергии в нагрузку, а наоборот происходит рекуперация энергии из выходной цепи в клампирующий конденсатор 4 клампирующего элемента, что сказывается на намагничивании трансформатора и может привести к его насыщению, особенно, при широком диапазоне изменений нагрузки. Это устраняется выбором числа витков первичной обмотки 1 трансформатора 2 и выбором зазора в сердечнике трансформатора. Однако более эффективно это может быть устранено введением дополнительной обмотки намагничивания 19, включенной последовательно с индуктивностью Г-образного LC-фильтра 10 фиг.3, что практически позволяет уменьшать зазор в сердечнике трансформатора вплоть до его исключения. In the time interval (1-D)T of operation of the clamping element 5, 4, no energy is transferred to the load, but on the contrary, energy is recuperated from the output circuit into the clamping capacitor 4 of the clamping element, which affects the magnetization of the transformer and can lead to its saturation, especially with a wide range of load changes. This is eliminated by selecting the number of turns of the primary winding 1 of the transformer 2 and by selecting the gap in the transformer core. However, this can be eliminated more effectively by introducing an additional magnetization winding 19, connected in series with the inductance of the L-shaped LC filter 10 of Fig. 3, which practically allows reducing the gap in the transformer core up to its elimination.
Таким образом, предлагаемый низковольтный преобразователь постоянного напряжения, по сравнению с известным устройством позволяет формировать низковольтное постоянное выходное напряжение из высокого постоянного входного напряжения с уменьшением статических потерь мощности, упрощать управление синхронными выпрямителями и оптимизировать магнитные свойства трансформатора.Thus, the proposed low-voltage DC/DC converter, in comparison with the known device, allows for the formation of a low-voltage DC output voltage from a high DC input voltage with a reduction in static power losses, simplification of control of synchronous rectifiers, and optimization of the magnetic properties of the transformer.
Claims (5)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2829317C1 true RU2829317C1 (en) | 2024-10-30 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU892614A1 (en) * | 1980-04-11 | 1981-12-23 | Московский Ордена Ленина Энергетический Институт | One-cycle dc voltage regulator |
| US4809148A (en) * | 1987-10-21 | 1989-02-28 | British Columbia Telephone Company | Full-fluxed, single-ended DC converter |
| EP1624561A3 (en) * | 2004-08-02 | 2008-02-20 | Flying Mole Corporation | Push-pull switching power converter |
| RU2812961C1 (en) * | 2023-08-11 | 2024-02-06 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Инпут Трансформейшн Аутпут Корпорейшн" | Flyback dc converter with active clamping |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU892614A1 (en) * | 1980-04-11 | 1981-12-23 | Московский Ордена Ленина Энергетический Институт | One-cycle dc voltage regulator |
| US4809148A (en) * | 1987-10-21 | 1989-02-28 | British Columbia Telephone Company | Full-fluxed, single-ended DC converter |
| EP1624561A3 (en) * | 2004-08-02 | 2008-02-20 | Flying Mole Corporation | Push-pull switching power converter |
| RU2812961C1 (en) * | 2023-08-11 | 2024-02-06 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Инпут Трансформейшн Аутпут Корпорейшн" | Flyback dc converter with active clamping |
| RU2815911C1 (en) * | 2023-08-11 | 2024-03-25 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Инпут Трансформейшн Аутпут Корпорейшн" | High-efficiency active-clamping constant voltage converter |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2829317C1 (en) | Low-voltage dc voltage converter with active clamping | |
| RU2830652C1 (en) | Low-voltage half-bridge dc voltage converter | |
| RU2835575C1 (en) | Magnetically coupled constant voltage converter with active clamping | |
| RU2809335C1 (en) | Dc-dc converter with active clamping | |
| RU2833064C1 (en) | Magnetically coupled constant voltage converter with active clamping | |
| RU2809337C1 (en) | Dc-dc converter with active clamping | |
| RU2822282C1 (en) | Transformer flyback dc voltage converter with active clamping | |
| RU2809839C1 (en) | Low voltage half-bridge dc-dc converter | |
| RU2833063C1 (en) | Constant voltage converter with active clamping | |
| RU2806668C1 (en) | Dc-dc converter with active clamping | |
| RU2815911C1 (en) | High-efficiency active-clamping constant voltage converter | |
| RU2833626C1 (en) | Constant voltage converter with active clamping | |
| RU2823796C1 (en) | Transformer flyback constant voltage converter with passive clamping | |
| RU2818294C1 (en) | Push-pull dc voltage converter with current doubling | |
| RU2836037C1 (en) | Forward single-stroke constant voltage converter with adjustable input voltage | |
| RU2826681C1 (en) | Magnetically coupled single-cycle constant voltage converter | |
| RU2822283C1 (en) | Transformer wide-range flyback dc voltage converter with passive clamping | |
| RU2823795C1 (en) | Transformer wide-range flyback constant voltage converter with active clamping | |
| RU2818293C1 (en) | Push-pull dc voltage converter | |
| RU2826684C1 (en) | Magnetically coupled single-cycle constant voltage converter with voltage doubling on load | |
| RU2825888C1 (en) | Single-cycle constant voltage converter with forward and reverse transfer of energy to load | |
| RU2826687C1 (en) | Single-cycle constant voltage converter with direct transfer of energy to load | |
| RU2818295C1 (en) | Quasi-push-pull single-step dc voltage converter | |
| RU2836035C1 (en) | Magnetically coupled unregulated single-cycle constant voltage converter | |
| RU2836036C1 (en) | Magnetically coupled unregulated single-cycle constant voltage converter with active clamping |