PL B1. POLITECHNIKA OPOLSKA, Opole, PL BUP 05/18. JAROSŁAW ZYGARLICKI, Krzyżowice, PL WUP 09/18

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. H02M 3/155 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Przekształtnik obniżający napięcie (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 05/18 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 09/18 (73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA OPOLSKA, Opole, PL (72) Twórca(y) wynalazku: JAROSŁAW ZYGARLICKI, Krzyżowice, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Wiesława Surmiak PL B1

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest przekształtnik obniżający napięcie, przeznaczony do zasilania układów elektronicznych, w których wymagana jest wysokosprawna konwersja poziomów napięć zasilających, na przykład w układach przetwornic DC DC kontrolerów ładowania akumulatorów w systemach zasilających alternatywnych źródeł energii elektrycznej. W znanym z noty aplikacyjnej firmy Rohm Semiconductor Switching Regulator IC series, Capacitor Calculation for Buck converter IC, z lutego 2014 r., wersja: Rev, C, rys. 1, przekształtniku, wejście dodatnie przekształtnika połączone jest z biegunem dodatnim kondensatora pierwszego oraz z drenem tranzystora, którego źródło połączone jest z końcówką pierwszą cewki i katodą diody prostowniczej. Bramka tranzystora stanowi wejście sterujące przekształtnika. Wejście ujemne przekształtnika połączone jest z biegunem ujemnym kondensatora pierwszego, anodą diody prostowniczej, biegunem ujemnym kondensatora drugiego i z wyjściem ujemnym przekształtnika. Końcówka druga cewki połączona jest z biegunem dodatnim kondensatora drugiego oraz z wyjściem dodatnim przekształtnika. Znany przekształtnik obniżający napięcie narażony jest na uszkodzenia elementów przełączających przy zwarciu lub przeciążeniu jego wyjścia, ponieważ zwarcie lub przeciążenie wyjścia powoduje przepływ prądów o wartościach chwilowych wielokrotnie większych od zaprojektowanych wartości nominalnych prądów. Zastosowanie elementów, które przetrwałyby takie warunki pracy jest nieekonomiczne i wiąże się ze wzrostem gabarytów urządzenia, co w wielu zastosowaniach jest nie do zaakceptowania, a przy tym może powodować zmniejszenie sprawności przekształtnika, bo elementy pracujące z większymi prądami wymagają dłuższego czasu przełączania, co zwiększa straty mocy w tych elementach. W wielu przypadkach wymaga również stosowania algorytmu miękkiego startu przekształtnika, co komplikuje implementację algorytmu sterowania przekształtnika zwiększając jego podatność na awarie. Istota przekształtnika obniżającego napięcie polega na tym, że wejście dodatnie połączone jest z anodą diody elektroluminescencyjnej fotowoltaicznego sterownika tranzystorów MOS FET, którego katoda diody elektroluminescencyjnej połączona jest z końcówką pierwszą rezystora pierwszego, źródło tranzystora pierwszego połączone jest z końcówką pierwszą rezystora drugiego i z katodą diody prostowniczej pierwszej, a źródło tranzystora drugiego połączone jest z anodą diody prostowniczej drugiej, z końcówką drugą rezystora drugiego, z końcówką pierwszą rezystora trzeciego, z bazą tranzystora trzeciego i z wyjściem ujemnym ogniwa fotowoltaicznego, fotowoltaicznego sterownika tranzystorów MOSFET. Końcówka druga rezystora pierwszego połączona jest z poziomem odniesienia. Bramka tranzystora drugiego połączona jest z wyjściem dodatnim ogniwa fotowoltaicznego, fotowoltaicznego sterownika tranzystorów MOSFET i z końcówką pierwszą rezystora czwartego, którego końcówka druga połączona jest z kolektorem tranzystora trzeciego. Końcówka druga rezystora trzeciego połączona jest z emiterem tranzystora trzeciego, z katodą diody prostowniczej drugiej i z końcówką pierwszą cewki. Przekształtnik obniżający napięcie według wynalazku cechuje się wysoką sprawnością przetwarzania energii, dzięki zastosowaniu kondensatorów filtrujących o bardzo niskiej pasożytniczej rezystancji szeregowej ESR i wysokiej pojemności, bez obaw uszkodzenia elementów przełączających. Ponadto prąd płynący w przekształtniku ograniczany jest automatycznie, co powoduje, że jest odporny na przeciążenia oraz zwarcia wyjścia. Nie wymaga również sterowania uwzględniającego algorytm miękkiego startu, co upraszcza program sterujący przekształtnika. Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania uwidoczniony jest na rysunku przedstawiającym schemat ideowy przekształtnika obniżającego napięcie. Wejście dodatnie We+ przekształtnika według wynalazku połączone jest z biegunem dodatnim kondensatora pierwszego C1, z drenem tranzystora pierwszego T1 i z anodą diody elektroluminescencyjnej fotowoltaicznego sterownika tranzystorów MOSFET Fd, którego katoda diody elektroluminescencyjnej połączona jest z końcówką pierwszą rezystora pierwszego R1. Natomiast wejście ujemne We- przekształtnika według wynalazku połączone jest z biegunem ujemnym kondensatora pierwszego C1, z anodą diody prostowniczej pierwszej D1, z poziomem odniesienia, z biegunem ujemnym kondensatora drugiego C2 i z wyjściem ujemnym Wy-. Źródło tranzystora pierwszego T1 połączone jest z końcówką pierwszą rezystora drugiego R2, z katodą diody prostowniczej pierwszej D1, z wejściem sterującym ujemnym S- i z drenem tranzystora drugiego T2, którego źródło połączone jest z anodą diody prostowniczej drugiej D2, z końcówką drugą rezystora drugiego R2, z końcówką pierwszą rezystora trzeciego R3, z bazą tranzystora trzeciego T3

3 PL B1 3 i z wyjściem ujemnym ogniwa fotowoltaicznego, fotowoltaicznego sterownika tranzystorów MOSFET Fd. Bramka tranzystora pierwszego T1 połączona jest z wejściem sterującym dodatnim S+ przekształtnika według wynalazku. Natomiast bramka tranzystora drugiego T2 połączona jest z wyjściem dodatnim ogniwa fotowoltaicznego, fotowoltaicznego sterownika tranzystorów MOSFET Fd i z końcówką pierwszą rezystora czwartego R4, którego końcówka druga połączona jest z kolektorem tranzystora trzeciego T3. Końcówka druga rezystora pierwszego R1 połączona jest z poziomem odniesienia. Końcówka druga rezystora trzeciego R3 połączona jest z emiterem tranzystora trzeciego T3, z katodą diody prostowniczej drugiej D2 i z końcówką pierwszą cewki L, której końcówka druga połączona jest z biegunem dodatnim kondensatora drugiego C2, i z wyjściem dodatnim Wy+ przekształtnika według wynalazku. Zasilające napięcie dodatnie podawane jest na wejście dodatnie We+ przekształtnika według wynalazku, a zasilające napięcie ujemne podawane jest na wejście ujemne We- przekształtnika według wynalazku. Różnica potencjałów na wejściach przekształtnika według wynalazku ładuje kondensator pierwszy C1. Prąd z wejścia dodatniego We+ przekształtnika płynie przez anodę diody elektroluminescencyjnej fotowoltaicznego sterownika tranzystorów MOSFET Fd do jej katody i dalej przez rezystor pierwszy R1 do poziomu odniesienia i dalej do wejścia ujemnego We- przekształtnika. Prąd płynący przez diodę elektroluminescencyjną fotowoltaicznego sterownika tranzystorów MOSFET Fd powoduje jej świecenie. Światło z diody elektroluminescencyjnej fotowoltaicznego sterownika tranzystorów MOSFET Fd pada na ogniwo fotowoltaiczne fotowoltaicznego sterownika tranzystorów MOSFET Fd i generuje w nim napięcie, które polaryzuje dodatnio względem źródła bramkę tranzystora drugiego T2. Dodatnia polaryzacja bramki tranzystora drugiego T2, powoduje jego włączenie. Na wejście sterujące dodatnie S+ przekształtnika podawane jest napięcie dodatnie zmienne w czasie, a na wejście sterujące ujemne S- podawane jest napięcie ujemne zmienne w czasie. Wejście sterujące dodatnie S+ przekształtnika zasila bramkę tranzystora pierwszego T1, a wejście sterujące ujemne S- zasila źródło tranzystora pierwszego T1. Poprzez wejścia sterujące S podawany jest sygnał prostokątny napięcia ustalonym współczynniku wypełnienia, który powoduje naprzemienną polaryzację i depolaryzację bramki tranzystora pierwszego T1, co z kolei powoduje jego naprzemienne włączanie w fazie pierwszej pracy przekształtnika wyłączanie w fazie drugiej jego pracy. W fazie pierwszej pracy przekształtnika według wynalazku przy włączonym tranzystorze pierwszym T1, prąd z wejścia dodatniego We+ płynie do drenu tranzystora pierwszego T1 i dalej do jego źródła, a przez włączony tranzystor drugi T2, z jego drenu do źródła przez rezystor trzeci R3 i cewkę L zasila dodatnią końcówkę kondensatora drugiego C2 i wyjście dodatnie Wy+ przekształtnika według wynalazku. Prąd z wyjścia ujemnego Wy- przekształtnika powraca do jego wejścia ujemnego We-. Różnica potencjałów na wyjściach Wy przekształtnika według wynalazku ładuje kondensator drugi C2. Przepływ prądu przez cewkę L powoduje namagnesowanie jego rdzenia i zmagazynowanie w nim energii. W fazie drugiej pracy przekształtnika przy wyłączonym tranzystorze pierwszym T1, zmagazynowana energia w cewce L powoduje przepływ prądu z końcówki drugiej cewki L do końcówki dodatniej kondensatora drugiego C2, do wyjścia dodatniego Wy+ przekształtnika i dalej z końcówki ujemnej kondensatora drugiego C2 oraz wyjścia ujemnego Wy- przekształtnika do anody diody prostowniczej pierwszej D1 i dalej do jej katody, przez złącze dren-źródło tranzystora drugiego T2 i rezystor trzeci R3 do końcówki pierwszej cewki L. Przepływ prądu od końcówki dodatniej do ujemnej kondensatora drugiego C2 powoduje jego doładowanie. Energia zmagazynowana w cewce L zostaje oddana do przekształtnika w postaci wymuszonego przez cewkę L przepływu prądu. Zarówno w fazie pierwszej, jak i w fazie drugiej działania przekształtnika przepływ prądu przez rezystor trzeci R3 powoduje na nim spadek napięcia, proporcjonalny do przepływającego prądu. Napięcie na rezystorze trzecim R3 zasila złącze bramka-emiter tranzystora trzeciego T3 w kierunku przewodzenia. Jeżeli prąd płynący przez rezystor trzeci R3 osiągnie wartość, dla której spadek napięcia przekroczy napięcie progowe polaryzacji bramki tranzystora trzeciego T3, to tranzystor trzeci T3 zostaje włączony i zaczyna przewodzić prąd od wyjścia dodatniego ogniwa fotowoltaicznego, fotowoltaicznego sterownika tranzystorów MOSFET Fd poprzez rezystor czwarty R4 do kolektora tranzystora trzeciego T3 i dalej do jego emitera poprzez rezystor trzeci R3 do wyjścia ujemnego ogniwa fotowoltaicznego, fotowoltaicznego sterownika tranzystorów MOSFET Fd. Pobór prądu z ogniwa fotowoltaicznego, fotowoltaicznego sterownika tranzystorów MOSFET Fd powoduje na nim znaczący spadek napięcia. Obniżone napięcie ogniwa fotowoltaicznego, fotowoltaicznego sterownika tranzystorów MOS- FET Fd depolaryzuje złącze bramka-źródło tranzystora drugiego T2, powodując jego wyłączenie. Przepływ prądu przez złącze dren-źródło tranzystora drugiego T2 zostaje przerwany i pomniejszony prąd,

4 4 PL B1 odwrotnie proporcjonalny do wartości rezystancji rezystora drugiego R2, zaczyna płynąć przez rezystor drugi R2. Przepływ prądu przez rezystor drugi R2 zamiast przez złącze dren-źródło tranzystora drugiego T2 ogranicza prąd płynący w przekształtniku według wynalazku i zabezpiecza jego elementy przed uszkodzeniem spowodowanym przeciążeniem prądowym. Wartość prądu włączenia ograniczenia prądowego ustalana, jest poprzez rezystancję rezystora trzeciego R3. Zmniejszenie prądu płynącego przez rezystor trzeci R3 powoduje zmniejszenie spadku napięcia na złączu baza-emiter tranzystora trzeciego T3 i poniżej napięcia progowego jego wyłączenie. Prąd w obwodzie złożonym z ogniwa fotowoltaicznego, fotowoltaicznego sterownika tranzystorów MOSFET Fd, rezystora czwartego R4, złącza kolektoremiter tranzystora trzeciego T3 i rezystora trzeciego R3 przestaje płynąć. Napięcie na wyjściu dodatnim i ujemnym ogniwa fotowoltaicznego, fotowoltaicznego sterownika tranzystorów MOSFET Fd, wzrasta zasilając złącze bramka-źródło tranzystora drugiego T2 powodując jego włączenie. Włączony tranzystor drugi T2 zaczyna przewodzić prąd z jego drenu do źródła powodując zbocznikowanie rezystora drugiego R2 i wzrost natężenia prądu płynącego w przekształtniku. Ograniczenie prądu płynącego w przekształtniku według wynalazku zostaje wyłączone. Zastrzeżenie patentowe 1. Przekształtnik obniżający napięcie, w którym wejście ujemne połączone jest z biegunem ujemnym kondensatora pierwszego, z anodą diody prostowniczej pierwszej, z biegunem ujemnym kondensatora drugiego i z wyjściem ujemnym, a bramka tranzystora pierwszego połączona jest z wejściem sterującym dodatnim przekształtnika, zaś końcówka druga cewki połączona jest z biegunem dodatnim kondensatora drugiego i z wyjściem dodatnim, znamienny tym, że wejście dodatnie (We+) połączone jest z anodą diody elektroluminescencyjnej fotowoltaicznego sterownika tranzystorów MOSFET (Fd), którego katoda diody elektroluminescencyjnej połączona jest z końcówką pierwszą rezystora pierwszego (R1), źródło tranzystora pierwszego (T1) połączone jest z końcówką pierwszą rezystora drugiego (R2) i z katodą diody prostowniczej pierwszej (D1), a źródło tranzystora drugiego (T2) połączone jest z anodą diody prostowniczej drugiej (D2), z końcówką drugą rezystora drugiego (R2), z końcówką pierwszą rezystora trzeciego (R3), z bazą tranzystora trzeciego (T3) i z wyjściem ujemnym ogniwa fotowoltaicznego, fotowoltaicznego sterownika tranzystorów MOSFET (Fd), przy czym końcówka druga rezystora pierwszego (R1) połączona jest z poziomem odniesienia, a bramka tranzystora drugiego (T2) połączona jest z wyjściem dodatnim ogniwa fotowoltaicznego, fotowoltaicznego sterownika tranzystorów MOSFET (Fd) i z końcówką pierwszą rezystora czwartego (R4), którego końcówka druga połączona jest z kolektorem tranzystora trzeciego (T3), zaś końcówka druga rezystora trzeciego (R3) połączona jest z emiterem tranzystora trzeciego (T3), z katodą diody prostowniczej drugiej (D2) i z końcówką pierwszą cewki (L).

5 PL B1 5 Rysunek

6 6 PL B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)