RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 230966 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 423324 (51) Int.Cl. H02M 3/155 (2006.01) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 31.10.2017 (54) Przekształtnik podwyższający napięcie (43) Zgłoszenie ogłoszono: 21.05.2018 BUP 11/18 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 31.01.2019 WUP 01/19 (73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA OPOLSKA, Opole, PL (72) Twórca(y) wynalazku: JAROSŁAW ZYGARLICKI, Krzyżowice, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Wiesława Surmiak PL 230966 B1
2 PL 230 966 B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest przekształtnik podwyższający napięcie, przeznaczony do zasilania układów elektronicznych o wysokosprawnej konwersji 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 Texas Instruments "UCx84c CurrentMode PWM Controllers", http://www.ti.com/lit/ds/symlink/uc2842.pdf, ze stycznia 2017 r., wersja: Rev. E, rys. 1, układzie przekształtnika, wejście dodatnie połączone jest z biegunem dodatnim kondensatora pierwszego, z końcówką pierwszą cewki i z końcówką pierwszą rezystora pierwszego, którego końcówka druga połączona jest z końcówką pierwszą kondensatora drugiego i z wejściem zasilającym dodatnim kontrolera szerokości impulsu prostokątnego. Wyjście napięcia referencyjnego kontrolera szerokości impulsu prostokątnego połączone jest z końcówką pierwszą kondensatora trzeciego i z końcówką pierwszą rezystora drugiego, którego końcówka druga połączona jest z końcówką pierwszą kondensatora czwartego i z wejściem zegarowym kontrolera szerokości impulsu prostokątnego. Wyjście wzmacniacza błędu kontrolera szerokości impulsu prostokątnego połączone jest z końcówką pierwszą kondensatora piątego i z końcówką pierwszą rezystora trzeciego, którego końcówka druga połączona jest z końcówką drugą kondensatora piątego, z wejściem odwracającym wzmacniacza błędu kontrolera szerokości impulsu prostokątnego, z końcówką pierwszą rezystora piątego oraz z końcówką pierwszą rezystora szóstego. Źródło tranzystora połączone jest z końcówką pierwszą rezystora czwartego i z wejściem ograniczenia prądowego kontrolera szerokości impulsu prostokątnego. Końcówka druga cewki połączona jest z anodą diody prostowniczej pierwszej, oraz drenem tranzystora, którego bramka połączona jest z wyjściem sterującym kontrolera szerokości impulsu prostokątnego. Wejście ujemne układu połączone jest z biegunem ujemnym kondensatora pierwszego, końcówką drugą kondensatora drugiego, końcówką drugą kondensatora trzeciego, końcówką drugą kondensatora czwartego, wejściem zasilającym ujemnym kontrolera szerokości impulsu prostokątnego, końcówką drugą rezystora czwartego, końcówką drugą rezystora piątego, biegunem ujemnym kondensatora siódmego oraz z wyjściem ujemnym układu. Katoda diody prostowniczej pierwszej połączona jest z końcówką drugą rezystora szóstego, z biegunem dodatnim kondensatora siódmego oraz z wyjściem dodatnim układu. Znany przekształtnik podwyższający napięcie charakteryzuje się stałym napięciem wyjściowym, bez możliwości jego adaptacji do zmieniających się warunków zasilania. Znany układ narażony jest na niedopasowanie jego impedancji wejściowej do impedancji zasilania, a przez to na znaczną redukcję sprawności konwersji energii elektrycznej. Istota przekształtnika podwyższającego napięcie polega na tym, że wejście dodatnie połączone jest z katodą diody elektroluminescencyjnej transoptora i z anodą diody Zenera, której katoda połączona jest z anodą diody elektroluminescencyjnej transoptora, z pierwszą końcówką rezystora siódmego, a druga końcówka rezystora siódmego połączona jest z drugą końcówką cewki. Wejście odwracające wzmacniacza błędu kontrolera szerokości impulsu prostokątnego połączone jest z wyjściem komparatora, którego wejście nieodwracające połączone jest z końcówką pierwszą kondensatora szóstego, z końcówką pierwszą rezystora ósmego, z kolektorem fototranzystora transoptora i z katodą diody prostowniczej drugiej. Anoda diody prostowniczej drugiej połączona jest z wejściem odwracającym komparatora, z końcówką pierwszą rezystora piątego i z końcówką pierwszą rezystora szóstego. Wejście ujemne połączone jest z końcówką drugą kondensatora szóstego, z końcówką drugą rezystora ósmego i z emiterem fototranzystora transoptora. Przekształtnik podwyższający napięcie według wynalazku cechuje możliwość adaptacji napięcia wyjściowego w pojedynczym cyklu pracy. Umożliwia krótkookresową kontrolę obciążalności źródła zasilania i modyfikację napięcia wyjściowego tak, aby uzyskać maksymalną sprawność konwersji energii elektrycznej. Dzięki monitorowaniu napięcia wyjściowego przekształtnika, nie jest wymagany pomiar prądu i napięcia na jego wejściach do śledzenia punktu maksymalnej mocy. Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania uwidoczniony jest na rysunku przedstawiającym schemat ideowy przekształtnika podwyższającego napięcie. Wejście dodatnie We+ przekształtnika podwyższającego napięcie według wynalazku połączone jest z biegunem dodatnim kondensatora pierwszego C1, z katodą diody elektroluminescencyjnej transoptora Op, z anodą diody Zenera Dz, z końcówką pierwszą cewki L i z końcówką pierwszą rezystora pierwszego R1. Końcówka druga rezystora pierwszego R1 połączona jest z końcówką pierwszą kondensatora drugiego C2 i z wejściem zasilającym dodatnim kontrolera szerokości impulsu prostokątnego
PL 230 966 B1 3 Uc. Wyjście napięcia referencyjnego kontrolera szerokości impulsu prostokątnego Uc połączone jest z końcówką pierwszą kondensatora trzeciego C3 i z końcówką pierwszą rezystora drugiego R2, którego końcówka druga połączona jest z końcówką pierwszą kondensatora czwartego C4 i z wejściem zegarowym kontrolera szerokości impulsu prostokątnego Uc. Wyjście wzmacniacza błędu kontrolera szerokości impulsu prostokątnego Uc połączone jest z końcówką pierwszą kondensatora piątego C5 i z końcówką pierwszą rezystora trzeciego R3, którego końcówka druga połączona jest z końcówką drugą kondensatora piątego C5, z wejściem odwracającym wzmacniacza błędu kontrolera szerokości impulsu prostokątnego Uc i z wyjściem komparatora K. Źródło tranzystora T połączone jest z końcówką pierwszą rezystora czwartego R4 i z wejściem ograniczenia prądowego kontrolera szerokości impulsu prostokątnego Uc. Końcówka druga cewki L połączona jest z końcówką drugą rezystora siódmego R7, z anodą diody prostowniczej pierwszej D1 i z drenem tranzystora T, którego bramka połączona jest z wyjściem sterującym kontrolera szerokości impulsu prostokątnego Uc. Końcówka pierwsza rezystora siódmego R7 połączona jest z anodą diody elektroluminescencyjnej transoptora Op i z katodą diody Zenera Dz. Wejście nieodwracające komparatora K połączone jest z końcówką pierwszą kondensatora szóstego C6, z końcówką pierwszą rezystora ósmego R8, z kolektorem fototranzystora transoptora Op i z katodą diody prostowniczej drugiej D2, której anoda połączona jest z wejściem odwracającym komparatora K, z końcówką pierwszą rezystora piątego R5 i z końcówką pierwszą rezystora szóstego R6. Katoda diody prostowniczej pierwszej D1 połączona jest z końcówką drugą rezystora szóstego R6, z biegunem dodatnim kondensatora siódmego C7 i z wyjściem dodatnim Wy+ przekształtnika według wynalazku. Wejście ujemne We- przekształtnika podwyższającego napięcie według wynalazku połączone jest z biegunem ujemnym kondensatora pierwszego C1, z końcówką drugą kondensatora drugiego C2, z końcówką drugą kondensatora trzeciego C3, z końcówką drugą kondensatora czwartego C4, z wejściem zasilającym ujemnym kontrolera szerokości impulsu prostokątnego Uc, z końcówką drugą rezystora czwartego R4, z końcówką drugą kondensatora szóstego C6, z końcówką drugą rezystora ósmego R8, z emiterem fototranzystora transoptora Op, z końcówką drugą rezystora piątego R5, z biegunem ujemnym kondensatora siódmego C7 i z wyjściem ujemnym Wy-. Zasilające napięcie dodatnie podawane jest na wejście dodatnie We+ przekształtnika według wynalazku, a zasilające napięcie ujemne podawane jest na wejście ujemne We-. Różnica potencjałów na wejściach: dodatnim We+ i ujemnym We- ładuje kondensator pierwszy C1. Prąd z wejścia dodatniego We+ podawany jest przez rezystor pierwszy R1 do wejścia dodatniego kontrolera szerokości impulsu prostokątnego Uc i dalej do jego wyjścia ujemnego i do wyjścia ujemnego We- przekształtnika według wynalazku. Przepływ prądu przez wejścia zasilające kontrolera szerokości impulsu prostokątnego Uc powoduje jego zasilenie. Różnica potencjałów na wejściach zasilających kontrolera szerokości impulsu prostokątnego Uc ładuje kondensator drugi C2, który pełni funkcję filtra zasilania kontrolera szerokości impulsu prostokątnego Uc. Zasilony kontroler szerokości impulsu prostokątnego Uc stabilizuje napięcie referencyjne na wyjściu napięcia referencyjnego kontrolera szerokości impulsu prostokątnego Uc polaryzując kondensator trzeci C3, który dodatkowo filtruje napięcie stabilizowane. Dodatnie napięcie z końcówki pierwszej kondensatora trzeciego C3 zasila układ generatora złożonego z rezystora drugiego R2 i kondensatora czwartego C4, którego końcówka druga zasila okresowo wejście zegarowe kontrolera szerokości impulsu prostokątnego Uc, które pełni również funkcję podtrzymania drgań układu generatora RC. W fazie pierwszej działania przekształtnika podwyższającego napięcie według wynalazku, kontroler szerokości impulsu prostokątnego Uc ustawia stan niski napięcia na bramce tranzystora T poprzez wyjście sterujące kontrolera szerokości impulsu prostokątnego Uc. Tranzystor T zostaje wyłączony i prąd nie płynie przez dren tranzystora T do jego źródła. Dodatnie napięcie z wejścia dodatniego We+ przekształtnika według wynalazku powiększone o napięcie indukowane w cewce L powoduje polaryzację w kierunku przewodzenia diody pierwszej D1. Spolaryzowana w kierunku przewodzenia dioda pierwsza D1, powoduje przewodzenie prądu z wejścia dodatniego We+ przekształtnika przez cewkę L i do jego wyjścia dodatniego Wy+ oraz z wyjścia ujemnego Wy- przekształtnika do jego wejścia ujemnego We-. Różnica potencjałów pomiędzy wyjściem dodatnim Wy+ a wyjściem ujemnym Wy- przekształtnika powoduje ładowanie kondensatora siódmego C7. Pomniejszone w dzielniku napięcia złożonym z rezystorów: szóstego R6 i piątego R5 napięcie zasila wejście odwracające komparatora K. Indukowane w cewce L napięcie polaryzuje diodę elektroluminescencyjną transoptora Op w kierunku przewodzenia. Maksymalne napięcie diody elektroluminescencyjnej transoptora Op ograniczane jest przez diodę Zenera Dz. Spolaryzowana w kierunku przewodzenia dioda elektroluminescencyjna transoptora Op
4 PL 230 966 B1 zaczyna świecić, oświetlając fototranzystor transoptora Op i powodując jego włączenie. Włączony fototranzystor transoptora Op ustala stan niski napięcia na wejściu nieodwracającym komparatora K, którego wyjście przechodzi w stan wysoki napięcia zasilając wejście odwracające wzmacniacza błędu kontrolera szerokości impulsu prostokątnego Uc, a poprzez filtr złożony z kondensatora piątego C5 i z rezystora trzeciego R3, wyjście wzmacniacza błędu kontrolera szerokości impulsu prostokątnego Uc. W fazie drugiej działania przekształtnika podwyższającego napięcie według wynalazku, kontroler szerokości impulsu prostokątnego Uc ustawia stan wysoki napięcia na bramce tranzystora T poprzez wyjście sterujące kontrolera szerokości impulsu prostokątnego Uc. Tranzystor T zaczyna przewodzić prąd z wejścia dodatniego We+ przekształtnika przez cewkę L, do drenu tranzystora T i dalej do jego źródła przez rezystor czwarty R4, do wejścia ujemnego We-. Przepływ prądu przez cewkę L powoduje magazynowanie w niej energii w polu magnetycznym. Przepływ prądu przez dren tranzystora T do jego źródła ustala stan niski napięcia na anodzie diody prostowniczej pierwszej D1, co powoduje jej wyłączenie. Spolaryzowana, w kierunku zaporowym dioda elektroluminescencyjna transoptora Op przestaje świecić. Fototranzystor transoptora Op zostaje wyłączony. Wyłączony fototranzystor transoptora Op powoduje ładowanie kondensatora szóstego C6 z dzielnika rezystancyjnego złożonego z rezystorów: szóstego R6 i z piątego R5, poprzez spolaryzowaną, w kierunku przewodzenia, diodę prostowniczą drugą D2. Maksymalne napięcie ładowania pomniejszone jest o spadek napięcia na diodzie prostowniczej drugiej D2. Wynik operacji sumowania w komparatorze K ustala początkowo stan niski na wyjściu komparatora K analogicznie, jak w fazie pierwszej działania przekształtnika. Spadek napięcia na kondensatorze siódmym C7 powoduje proporcjonalny spadek napięcia na dzielniku rezystancyjnym złożonym z rezystorów: szóstego R6 i z piątego R5. Jeżeli spadek napięcia na kondensatorze siódmym C7 jest szybszy niż spadek napięcia na kondensatorze szóstym C6, wówczas wynik operacji sumowania w komparatorze K powoduje ustalenie stanu wysokiego na wyjściu komparatora K. Stan wysoki napięcia zasila wejście odwracające wzmacniacza błędu kontrolera szerokości impulsu prostokątnego Uc, a poprzez filtr złożony z kondensatora piątego C5 i z rezystora trzeciego R3, wyjście wzmacniacza błędu kontrolera szerokości impulsu prostokątnego Uc. Kontroler szerokości impulsu prostokątnego Uc ustala stan niski napięcia na bramce tranzystora T i przekształtnika podwyższającego napięcie według wynalazku przechodzi do fazy pierwszej swojej pracy. Zastrzeżenie patentowe 1. Przekształtnik podwyższający napięcie, w którym wejście dodatnie połączone jest z biegunem dodatnim kondensatora pierwszego, z końcówką pierwszą cewki i z końcówką pierwszą rezystora pierwszego, którego końcówka druga połączona jest z końcówką pierwszą kondensatora drugiego i z wejściem zasilającym dodatnim kontrolera szerokości impulsu prostokątnego, a wyjście napięcia referencyjnego kontrolera szerokości impulsu prostokątnego połączone jest z końcówką pierwszą kondensatora trzeciego i z końcówką pierwszą rezystora drugiego, którego końcówka druga połączona jest z końcówką pierwszą kondensatora czwartego i z wejściem zegarowym kontrolera szerokości impulsu prostokątnego a wyjście wzmacniacza błędu kontrolera szerokości impulsu prostokątnego połączone jest z końcówką pierwszą kondensatora piątego i z końcówką pierwszą rezystora trzeciego, którego końcówka druga połączona jest z końcówką drugą kondensatora piątego, z wejściem odwracającym wzmacniacza błędu kontrolera szerokości impulsu prostokątnego, z końcówką pierwszą rezystora piątego i z końcówką pierwszą rezystora szóstego, a źródło tranzystora połączone jest z końcówką pierwszą rezystora czwartego i z wejściem ograniczenia prądowego kontrolera szerokości impulsu prostokątnego, końcówka druga cewki połączona jest z anodą diody prostowniczej pierwszej i z drenem tranzystora, którego bramka połączona jest z wyjściem sterującym kontrolera szerokości impulsu prostokątnego, katoda diody prostowniczej pierwszej połączona jest z końcówką drugą rezystora szóstego, z biegunem dodatnim kondensatora siódmego oraz z wyjściem dodatnim, przy czym wejście ujemne połączone jest z biegunem ujemnym kondensatora pierwszego, z końcówką drugą kondensatora drugiego, z końcówką drugą kondensatora trzeciego, z końcówką drugą kondensatora czwartego, z wejściem zasilającym ujemnym kontrolera szerokości impulsu prostokątnego, z końcówką drugą rezystora czwartego, z końcówką drugą rezystora piątego, z biegunem ujemnym kondensatora siódmego i z wyjściem
PL 230 966 B1 5 ujemnym, znamienny tym, że wejście dodatnie (We+) połączone jest z katodą diody elektroluminescencyjnej transoptora (Op) i z anodą diody Zenera (Dz), której katoda połączona jest z anodą diody elektroluminescencyjnej transoptora (Op) i z pierwszą końcówką rezystora siódmego (R7), a druga końcówka rezystora siódmego (R7) połączona jest z drugą końcówką cewki (L), wejście odwracające wzmacniacza błędu kontrolera szerokości impulsu prostokątnego (Uc) połączone jest z wyjściem komparatora (K), którego wejście nieodwracające połączone jest z końcówką pierwszą kondensatora szóstego (C6), z końcówką pierwszą rezystora ósmego (R8), z kolektorem fototranzystora transoptora (Op) i z katodą diody prostowniczej drugiej (D2), a anoda diody prostowniczej drugiej (D2) połączona jest z wejściem odwracającym komparatora (K), z końcówką pierwszą rezystora piątego (R5) i z końcówką pierwszą rezystora szóstego (R6), przy czym wejście ujemne (We-) połączone jest z końcówką drugą kondensatora szóstego (C6), z końcówką drugą rezystora ósmego (R8) i z emiterem fototranzystora transoptora (Op).
6 PL 230 966 B1 Rysunek Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)