RU2817315C1 - Magnetically coupled power factor corrector with constant output voltage stabilization - Google Patents
Magnetically coupled power factor corrector with constant output voltage stabilization Download PDFInfo
- Publication number
- RU2817315C1 RU2817315C1 RU2023123835A RU2023123835A RU2817315C1 RU 2817315 C1 RU2817315 C1 RU 2817315C1 RU 2023123835 A RU2023123835 A RU 2023123835A RU 2023123835 A RU2023123835 A RU 2023123835A RU 2817315 C1 RU2817315 C1 RU 2817315C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- winding
- transformer
- series
- output voltage
- power factor
- Prior art date
Links
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 title claims abstract description 23
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims abstract description 61
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 14
- 230000005669 field effect Effects 0.000 claims abstract description 8
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 claims abstract description 3
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims abstract 2
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000003079 width control Methods 0.000 abstract 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 101100001677 Emericella variicolor andL gene Proteins 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
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразователям переменного напряжения в постоянное напряжение, и может быть использовано в системах вторичного электропитания для коррекции коэффициента мощности, преобразования, регулирования и стабилизации постоянного выходного напряжения.The invention relates to electrical engineering, in particular to AC-DC voltage converters, and can be used in secondary power supply systems for power factor correction, conversion, regulation and stabilization of DC output voltage.
Известны преобразователи переменного напряжения в постоянное напряжение с подключением нагрузки через выпрямительные диоды и сглаживающий емкостной фильтр [1].Known are converters of alternating voltage to direct voltage with a load connected through rectifying diodes and a smoothing capacitive filter [1].
Недостатком известных преобразователей переменного напряжения в постоянное напряжение является отсутствие формирования непрерывного и синфазного тока, потребляемого от входного синусоидального напряжения, а также стабилизации постоянного выходного напряжения.The disadvantage of the known AC-DC voltage converters is the lack of formation of continuous and common-mode current consumed from the input sinusoidal voltage, as well as the lack of stabilization of the constant output voltage.
Наиболее близок по технической сущности к предлагаемому устройству преобразователь переменного синусоидального напряжения в постоянное выходное напряжение, содержащий первичную обмотку трансформатора, подключенную через встречно последовательные управляемые ключи к зажимам источника переменного синусоидального напряжения, вторичную обмотку трансформатора, подключенную через выпрямительные диоды к емкостному фильтру и нагрузке [1].The closest in technical essence to the proposed device is a converter of alternating sinusoidal voltage to a constant output voltage, containing a primary winding of a transformer connected through counter-series controlled switches to the terminals of an alternating sinusoidal voltage source, a secondary winding of a transformer connected through rectifying diodes to a capacitive filter and load [1 ].
Недостатки этого преобразователя напряжения состоят в том, что в нем отсутствует коррекция коэффициента мощности, формирование непрерывного и синфазного тока переменному входному напряжению и стабилизация постоянного выходного напряжения.The disadvantages of this voltage converter are that it does not have power factor correction, the formation of continuous and common-mode current to an alternating input voltage, and the stabilization of a constant output voltage.
Цель изобретения - формирование непрерывного и синфазного тока переменному входному напряжению, формирование постоянного выходного напряжения и его стабилизация. The purpose of the invention is the formation of continuous and common-mode current to an alternating input voltage, the formation of a constant output voltage and its stabilization.
Поставленная цель достигается тем, что в магнитносвязанном корректоре коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного напряжения к первичной обмотке трансформатора включённой последовательно с источником переменного напряжения и встречно последовательными управляемыми ключами, введена вторая магнитносвязанная обмотка противофазная первой обмотке, которая через последовательно включенный конденсатор подключена параллельно встречно последовательным управляемым ключам, а параллельно второй обмотке включен клампирующий элемент, составленный из встречно последовательных управляемых ключей и конденсатора, введены две вторичные обмотки, которые через выпрямительные диоды подключены к Г-образному LC-фильтру, последовательно с которым включен понижающий регулятор напряжения с непрерывным потреблением и передачей энергии в нагрузку, управление которым осуществляется цепью обратной связи реализованной в виде широтно-импульсного контроллера.This goal is achieved by the fact that in a magnetically coupled power factor corrector with stabilization of a constant output voltage, a second magnetically coupled winding is introduced in antiphase to the first winding through a series-connected capacitor connected in parallel with counter-series controlled switches. switches, and parallel to the second winding, a clamping element is connected, composed of back-to-back controlled switches and a capacitor, two secondary windings are introduced, which are connected through rectifier diodes to an L-shaped LC filter, in series with which a step-down voltage regulator with continuous consumption and transfer of energy is connected into the load, which is controlled by a feedback circuit implemented in the form of a pulse-width controller.
На фиг. 1, 2 и 3 показаны принципиальные электрические схемы вариантов выполнения предлагаемого магнитносвязанного корректора коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного напряжения. На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема магнитносвязанного корректора коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного напряжения; на фиг. 2 представлена принципиальная электрическая схема магнитносвязанного корректора коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного напряжения с введением дополнительной линейной индуктивности последовательно с первичной обмоткой трансформатора; на фиг. 3 представлена принципиальная электрическая схема магнитносвязанного корректора коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного напряжения с подключением клампирующего элемента, составленного из встречно последовательных управляемых ключей с последовательно включенным конденсатором к вспомогательной обмотке трансформатора.In fig. 1, 2 and 3 show schematic electrical diagrams of embodiments of the proposed magnetically coupled power factor corrector with constant output voltage stabilization. Figure 1 shows a schematic diagram of a magnetically coupled power factor corrector with constant output voltage stabilization; in fig. Figure 2 shows a schematic electrical diagram of a magnetically coupled power factor corrector with stabilization of a constant output voltage with the introduction of additional linear inductance in series with the primary winding of the transformer; in fig. Figure 3 shows a schematic electrical diagram of a magnetically coupled power factor corrector with stabilization of a constant output voltage with the connection of a clamping element composed of back-to-back controlled switches with a series-connected capacitor to the auxiliary winding of the transformer.
В нем (фиг. 1) начало первичной обмотки 1 трансформатора 2 соединено с первым полюсом входного источника переменного напряжения, а конец первичной обмотки 1 через управляемый встречно последовательный ключ 3 подключен ко второму полюсу входного источника переменного напряжения. Параллельно встречно последовательному ключу 3 включена последовательно с конденсатором 5 вторая магнитносвязанная обмотка 4 противофазная первой обмотке. Параллельно второй противофазной обмотке 4 включен встречно последовательный управляемый ключ 7 с последовательно включенным конденсатором 6. Две вторичные обмотки 8 и 9 трансформатора 2 объединены в общую точку соединения началом обмотки 8 и концом обмотки 9, конец обмотки 8 подключен к катоду диода 10, а начало обмотки 9 подключено к катоду диода 11, аноды которых объединены в общую точку соединения. Общая точка соединения обмоток 8,9 подключена к первому полюсу Г-образного LC-фильтра 12, а общая точка соединения анодов 10,11 подключена к второму полюсу Г-образного LC-фильтра. Параллельно выходным зажимам Г-образного LC-фильтра 12, включен понижающий регулятор 13, выходные зажимы которого подключены к управляющему контролеру 14 широтно-импульсного типа, который управляет регулирующим транзистором понижающего регулятора 13. Управляющие электроды встречно последовательного ключа 3 объединены в общую точку соединения и подключены к контроллеру 15, второй вывод которого подключен к общей точке соединения встречно последовательных ключей транзисторов ключа 3. Управляющие электроды встречно последовательных транзисторов клампирующего элемента 7 объединены в общую точку соединения и подключены к контроллеру 16, второй вывод которого подключен к общей точке соединения встречно последовательных транзисторов клампирующего ключа 7. Параллельно дополнительной обмотке 17 трансформатора 2 включена линейная индуктивность 18.In it (Fig. 1), the beginning of the primary winding 1 of the transformer 2 is connected to the first pole of the input alternating voltage source, and the end of the primary winding 1 is connected through a controlled counter-series switch 3 to the second pole of the input alternating voltage source. In parallel with the counter-serial switch 3, a second magnetically coupled winding 4 is connected in series with the capacitor 5 and is antiphase to the first winding. In parallel with the second antiphase winding 4, an anti-series controlled switch 7 is connected with a capacitor 6 connected in series. The two secondary windings 8 and 9 of transformer 2 are combined into a common connection point by the beginning of the winding 8 and the end of the winding 9, the end of the winding 8 is connected to the cathode of the diode 10, and the beginning of the winding 9 is connected to the cathode of diode 11, the anodes of which are combined into a common connection point. The common connection point of the windings 8,9 is connected to the first pole of the L-shaped LC filter 12, and the common connection point of the anodes 10,11 is connected to the second pole of the L-shaped LC filter. In parallel with the output terminals of the L-shaped LC filter 12, a step-down regulator 13 is turned on, the output terminals of which are connected to a pulse-width type control controller 14, which controls the control transistor of the step-down regulator 13. The control electrodes of the counter-series switch 3 are combined into a common connection point and connected to the controller 15, the second output of which is connected to the common connection point of the back-to-back transistors of the key 3. The control electrodes of the back-to-back transistors of the clamping element 7 are combined into a common connection point and connected to the controller 16, the second output of which is connected to the common connection point of the back-to-back transistors of the clamping element key 7. In parallel with the additional winding 17 of transformer 2, linear inductance 18 is connected.
На фиг.2 последовательно первичной обмотке 1 трансформатора 2 включена линейная индуктивность 19.In Fig.2, linear inductance 19 is connected in series with the primary winding 1 of transformer 2.
Принцип действия предлагаемого магнитносвязанного корректора коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного напряжения 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.Let us consider the principle of operation of the proposed magnetically coupled power factor corrector with stabilization of a constant output voltage based on the assumption of the ideality of the key elements, the steady state of operation and the continuity of change in the magnetic flux in the core of transformer 2. Let us denote by D the duration of the on state of switch 3 relative to the period T.
Допустим, что в момент рассмотрения работы преобразователя переменного напряжения в постоянное напряжение от источника переменного напряжения поступает положительная полуволна синусоидального напряжения. В этом случае на этапе замкнутого состояния DT ключа 3 полевой транзистор (MOSFET) ключа 3 работает в нормальном ключевом режиме (в рассматриваемом случае верхний), а второй (нижний) в режиме синхронного выпрямителя. На этом промежутке времени происходит передача энергии в нагрузку через прямосмещенный выпрямительный диод 10 и вторичную обмотку 8.Let us assume that at the moment of considering the operation of an AC-to-DC voltage converter, a positive half-wave of sinusoidal voltage arrives from an AC voltage source. In this case, at the stage of the closed state DT of switch 3, the field-effect transistor (MOSFET) of switch 3 operates in the normal switch mode (in the case under consideration, the upper one), and the second (lower) in the synchronous rectifier mode. During this period of time, energy is transferred to the load through the forward-biased rectifier diode 10 and the secondary winding 8.
После выключения ключа 3 на интервале времени (1-D)T включается встречно последовательный управляемый ключ клампирующего элемента 7 с последовательно включенным конденсатором 6, что приводит к переполюсовке напряжений на обмотках трансформатора 2, выключению диода 10 и включению диода 11, и передачи энергии в нагрузку через обмотку 9 и диод 11. Напряжение на конденсаторе 6 изменяется по закону VD/(1-D), а энергия во вторичную цепь поступает из индуктивности намагничивания трансформатора 2.After switching off key 3 in the time interval (1-D)T, the back-to-back controlled switch of the clamping element 7 with a series-connected capacitor 6 is turned on, which leads to a reversal of the voltage on the windings of the transformer 2, turning off the diode 10 and turning on the diode 11, and transferring energy to the load through winding 9 and diode 11. The voltage on capacitor 6 changes according to the law VD / (1-D), and the energy in the secondary circuit comes from the magnetizing inductance of transformer 2.
При изменении полярности источника входного напряжения все описанные выше процессы повторяются с той лишь разницей, что теперь на интервале времени DT энергия во вторичную цепь передается через обмотку 9 и прямосмещенный диод 11, а на интервале (1-D)T через обмотку 8 и диод 10.When the polarity of the input voltage source changes, all the processes described above are repeated with the only difference that now in the time interval DT energy is transferred to the secondary circuit through winding 9 and forward biased diode 11, and in the interval (1-D)T through winding 8 and diode 10 .
Использование магнитносвязанной цепи, обусловленной обмотками 1,4 позволяет существенно увеличить дифференциальную индуктивность обмоток (для пульсаций тока), которая описывается для обмотки 1 выражением и для обмотки 4 выражением . В этих выражениях L 11 = L μ 1 + L S 1 - индуктивность намагничивания трансформатора 2 по обмотке 1 с учетом индуктивности рассеяния, а L 22 = L μ 2 +L S 2 - индуктивность намагничивания трансформатора 2 по обмотке 1 с учетом индуктивности рассеяния, где - коэффициент связи между обмотками 1 и 4 всегда меньше или равен единице, а - коэффициент трансформации между обмотками 1 и 4. В нашем случае важна величина L ЭФФ1 , которая при k=n равна бесконечности и тем самым исключаются пульсации тока непрерывного и синфазного с входным переменным напряжением. При равенстве числа витков обмоток 1,4 желательная величина L ЭФФ1 достигается включением небольшой индуктивности 19 последовательно с обмоткой 1.The use of a magnetically coupled circuit caused by windings 1,4 allows you to significantly increase the differential inductance of the windings (for current ripples), which is described for winding 1 expressionAnd for winding 4 by the expression. In these expressionsL eleven = L μ 1 + L S 1 is the magnetizing inductance of transformer 2 along winding 1, taking into account the leakage inductance, andL 22 = L μ 2 +L S 2 - magnetizing inductance of transformer 2 along winding 1, taking into account leakage inductance, where - the coupling coefficient between windings 1 and 4 is always less than or equal to one, and - transformation ratio between windings 1 and 4. In our case, the important value isL EFF1 , which at k=n is equal to infinity and thereby excludes ripples of continuous and in-phase current with the input alternating voltage. If the number of turns of windings is equal, 1.4 is the desired valueL EFF1 is achieved by connecting a small inductance 19 in series with winding 1.
Ведение дополнительной обмотки 17 трансформатора 2 с параллельно включенной линейной индуктивностью 18 позволяет ослабить жесткую связь величины индуктивности намагничивания трансформатора 2 с числом витков первичной обмотки 1, геометрическим размером магнитопровода и зазором трансформатора, что расширяет диапазон изменений входного напряжения.Maintaining an additional winding 17 of transformer 2 with a parallel-connected linear inductance 18 makes it possible to weaken the rigid connection of the magnitude of the magnetizing inductance of transformer 2 with the number of turns of the primary winding 1, the geometric size of the magnetic circuit and the gap of the transformer, which expands the range of changes in the input voltage.
Величины временных интервалов DT и (1-D)T устанавливаются фиксированными, и в процессе работы магнитносвязанного корректора коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного напряжения не изменяются, тем самым фиксируя максимальную передаваемую мощность в нагрузку.The values of the time intervals DT and (1-D)T are set fixed, and during the operation of the magnetically coupled power factor corrector with stabilization of the constant output voltage, they do not change, thereby fixing the maximum transmitted power to the load.
Поддержание постоянного выходного напряжения в нагрузке осуществляется с помощью понижающего регулятора 13 [2], отличительной особенностью которого является непрерывное потребление и передача энергии в нагрузку, и этим свойством он является аналогом резистивной нагрузки. Обратная связь, реализованная в виде широтно-импульсного контроллера 14, воздействует на регулирующий транзистор регулятора 13, обеспечивая поддержание постоянного выходного напряжения с заданной точностью. Maintaining a constant output voltage in the load is carried out using a step-down regulator 13 [2], the distinctive feature of which is the continuous consumption and transfer of energy to the load, and with this property it is analogous to a resistive load. Feedback, implemented in the form of a pulse-width controller 14, acts on the control transistor of the regulator 13, ensuring the maintenance of a constant output voltage with a given accuracy.
Клампирующий элемент, составленный из встречно последовательного включения полевых транзисторов (MOSFET) ключа 7 и последовательно включенного конденсатора 6 может быть включен параллельно любой обмотке трансформатора, в том числе дополнительно введенной обмотки трансформатора 2, например, обмотки 17. При этом могут быть использованы низковольтные транзисторы ключи 7, а их управление может осуществляться относительно общей шины, входной или выходной цепи.A clamping element made up of back-to-back field-effect transistors (MOSFETs) of switch 7 and a series-connected capacitor 6 can be connected in parallel to any winding of the transformer, including the additionally introduced winding of transformer 2, for example, winding 17. In this case, low-voltage transistors can be used. 7, and their control can be carried out relative to a common bus, input or output circuit.
Таким образом, предлагаемый магнитносвязанный корректор коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного напряжения позволяет по сравнению с известным устройством осуществить формирование непрерывного, практически гладкого тока синфазного переменному входному напряжению, формирование постоянного выходного напряжения и его стабилизацию.Thus, the proposed magnetically coupled power factor corrector with stabilization of a constant output voltage allows, in comparison with the known device, the formation of a continuous, almost smooth common-mode current in phase with an alternating input voltage, the formation of a constant output voltage and its stabilization.
Список литературы:Bibliography:
1. Патент на изобретение РФ № 2802914 с приоритетом от 02.02.2023.1. Patent for invention of the Russian Federation No. 2802914 with priority from 02.02.2023.
2. Авторское свидетельство СССР №1598073 “Импульсный регулятор постоянного напряжения” А.Г. Поликарпов, Е.Ф. Сергиенко с приоритетом от 05.12.1988.2. Copyright certificate of the USSR No. 1598073 “Pulse constant voltage regulator” A.G. Polikarpov, E.F. Sergienko with priority dated 12/05/1988.
Claims (7)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2817315C1 true RU2817315C1 (en) | 2024-04-16 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1598073A1 (en) * | 1988-12-05 | 1990-10-07 | Московский энергетический институт | Pulsed d.c. voltage controller |
| US6272027B1 (en) * | 2000-07-28 | 2001-08-07 | Simon Fraidlin | AC active clamp for isolated power factor corrector and method of operating the same |
| US7126831B2 (en) * | 2003-05-23 | 2006-10-24 | Rohm Co. Ltd. | DC-AC converter, and method for supplying AC power |
| RU2571952C1 (en) * | 2014-10-23 | 2015-12-27 | Общество с ограниченной ответственностью "СИБВЭС" | Corrector of power ratio |
| RU180775U1 (en) * | 2018-03-01 | 2018-06-22 | Владимир Евгеньевич Рыжаков | CURRENT STABILIZATION DEVICE WITH CORRECTOR OF POWER COEFFICIENT AND GALVANIC SEPARATION OF INPUT AND OUTPUT |
| RU2802914C1 (en) * | 2023-02-02 | 2023-09-05 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Инпут Трансформейшн Аутпут Корпорейшн" | Ac-to-dc converter |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1598073A1 (en) * | 1988-12-05 | 1990-10-07 | Московский энергетический институт | Pulsed d.c. voltage controller |
| US6272027B1 (en) * | 2000-07-28 | 2001-08-07 | Simon Fraidlin | AC active clamp for isolated power factor corrector and method of operating the same |
| US7126831B2 (en) * | 2003-05-23 | 2006-10-24 | Rohm Co. Ltd. | DC-AC converter, and method for supplying AC power |
| RU2571952C1 (en) * | 2014-10-23 | 2015-12-27 | Общество с ограниченной ответственностью "СИБВЭС" | Corrector of power ratio |
| RU180775U1 (en) * | 2018-03-01 | 2018-06-22 | Владимир Евгеньевич Рыжаков | CURRENT STABILIZATION DEVICE WITH CORRECTOR OF POWER COEFFICIENT AND GALVANIC SEPARATION OF INPUT AND OUTPUT |
| RU2802914C1 (en) * | 2023-02-02 | 2023-09-05 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Инпут Трансформейшн Аутпут Корпорейшн" | Ac-to-dc converter |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10833594B2 (en) | System and method of controlling a power converter having an LC tank coupled between a switching network and a transformer winding | |
| KR101756546B1 (en) | Secondary side control of resonant dc/dc converters | |
| TW588497B (en) | Synchronous rectifier of intermittent control and its control method | |
| US20160294294A1 (en) | Resonant Converters with an Improved Voltage Regulation Range | |
| TWI445297B (en) | Power supply | |
| US20170179836A1 (en) | Power conversion device | |
| US20120014149A1 (en) | Power conversion apparatus and method | |
| JP2005117883A (en) | Power supply | |
| US11451161B2 (en) | Power switcher, power rectifier, and power converter including cascode-connected transistors | |
| WO2004036726A1 (en) | Dc converter | |
| CN113632363A (en) | Insulated DC/DC converter with full bridge diode rectifier on secondary side and asymmetric auxiliary capacitor | |
| RU2817315C1 (en) | Magnetically coupled power factor corrector with constant output voltage stabilization | |
| RU2385526C1 (en) | Stabilised quasi-resonant converter | |
| RU2817329C1 (en) | Magnetically coupled power factor corrector with passive valve element and constant output voltage stabilization | |
| US10348209B2 (en) | Output voltage responsive isolated DC to DC converter in full and half bridge modes | |
| RU2806673C1 (en) | Power factor corrector with constant output voltage stabilization | |
| RU2827585C1 (en) | Magnetically coupled power factor corrector with passive valve element and optimized constant output voltage stabilization unit | |
| JPS5849112B2 (en) | Commutation circuit | |
| RU2809337C1 (en) | Dc-dc converter with active clamping | |
| RU2815911C1 (en) | High-efficiency active-clamping constant voltage converter | |
| RU2826687C1 (en) | Single-cycle constant voltage converter with direct transfer of energy to load | |
| RU2809335C1 (en) | Dc-dc converter with active clamping | |
| RU2806668C1 (en) | Dc-dc converter with active clamping | |
| RU2825889C1 (en) | Single-cycle constant voltage converter with reverse transfer of energy to load | |
| RU2805046C1 (en) | Power factor corrector |