ДВУХТАКТНЫЙ DC/DC-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С L-ВХОДОМ
PUSH-PULL DC/DC CONVERTER WITH L-INLET

Предлагаемое устройство относится к силовой преобразовательной технике и предназначено для преобразования и регулирования энергии, потребляемой от источника постоянного тока, и передачи преобразованной энергии ее приемнику с использованием трансформаторной связи между цепями источника и приемника энергии.
Двухтактный DC/DC-преобразователь с L-входом, рассматриваемый в качестве прототипа [1, стр. 77, рис. 5.1-б], содержит:
- основной дроссель;
- трансформатор с первичной и вторичной обмотками, причем первичная обмотка выполнена с выводом средней точки;
- первый и второй силовые транзисторы (силовые управляемые ключи);
- двухполупериодный выпрямитель тока вторичной обмотки;
- конденсатор выходного фильтра.
Известными признаками двухтактного DC/DC-преобразователя с L-входом являются:
- подключение первого вывода обмотки основного дросселя к первой шине питания и непосредственное соединение второго вывода этой обмотки со средней точкой первичной обмотки трансформатора;
- подключение первого вывода первичной обмотки ко второй шине питания через выходную цепь первого силового транзистора;
- подключение второго вывода первичной обмотки ко второй шине питания через выходную цепь второго силового транзистора;
- подключение вторичной обмотки трансформатора через двухполупериодный выпрямитель тока этой обмотки к конденсатору выходного фильтра.
В первой части каждого из тактов замкнуты оба силовых транзистора. При этом первичная обмотка оказывается закороченной через их выходные цепи, и напряжение питания оказывается приложенным к силовой обмотке основного дросселя, из-за чего в нем накапливается энергия.
Во второй части каждого такта размыкаются один из двух силовых транзисторов, и через другой транзистор одна из двух половин первичной обмотки трансформатора оказывается подключенной между концом обмотки основного дросселя и второй шиной питания. При этом в первый такт в состоянии высокой проводимости работает первый силовой транзистор, и через его выходную цепь первая половина первичной обмотки трансформатора подключена между концом обмотки основного дросселя и второй шиной питания. Во второй такт в состоянии высокой проводимости работает второй силовой транзистор, и через его выходную цепь вторая половина первичной обмотки трансформатора подключена между концом обмотки основного дросселя и второй шиной питания.
Присутствие обмотки основного дросселя, которая поочередно по тактам включена последовательно с первой или второй половинами первичной обмотки трансформатора через первый или второй силовые транзисторы, способствует быстрому нарастанию напряжения на первичной обмотке и на силовом транзисторе в процессе его запирания. Как следствие, в силовом транзисторе возникают значительные коммутационные потери.
В реальных трансформаторах существует индуктивность рассеяния. Она препятствует мгновенной передаче мощности трансформатором в его вторичную обмотку, из-за чего на первичной обмотке возникают короткие выбросы напряжения. Если амплитуда напряжения на силовом транзисторе, перешедшем в непроводящее состояние, достигнет значения напряжения пробоя, то в этом транзисторе будет выделена дополнительная энергия, запасенная в индуктивности рассеяния трансформатора.
Высокие коммутационные потери в транзисторах снижают надежность их работы и, соответственно, надежность устройства в целом, а также понижают эффективность преобразования электрической энергии.
Целью предложения, содержащегося в данном изобретении, является повышение энергетической эффективности и надежности устройства.
Два варианта предлагаемого устройства представлены на фиг. 1 и 2. Они отличаются конструкциями вторичной обмотки трансформатора, а также двухполупериодного выпрямителя тока этой обмотки. В устройстве на фиг. 1 вторичная обмотка выполнена с выводом ее средней точки, а выпрямитель содержит два вентильных элемента (как в схеме, рассматриваемой в качестве прототипа). В устройстве на фиг. 2 вторичная обмотка выполнена однофазной, а в выпрямителе тока этой обмотки вентильные элементы соединены по схеме моста.
Отмеченные отличия двух вариантов схемы не принципиальны. Существенными известными признаками устройства является лишь подключение вторичной обмотки трансформатора через двухполупериодный выпрямитель тока этой обмотки к конденсатору выходного фильтра.
Существенные отличительные признаки предлагаемого устройства состоят в том, что:
- в устройство введены первый, второй, третий и четвертый диоды, дополнительный дроссель, а также первый и второй конденсаторы;
- введенные четыре диода соединены по схеме диодного моста;
- первый вывод выходной цепи упомянутого диодного моста непосредственно подключен к первой шине питания;
- второй вывод выходной цепи диодного моста соединен со второй шиной питания через обмотку дополнительного дросселя;
- первый вывод входной цепи диодного моста подключен через первый конденсатор к точке соединения первого вывода первичной обмотки трансформатора с первым силовым транзистором;
- второй вывод входной цепи диодного моста подключен через второй конденсатор к точке соединения второго вывода первичной обмотки трансформатора со вторым силовым транзистором.
В устройстве на фиг. 1 между первой шиной питания 1 и второй шиной питания 2 включен источник энергии 3 (он выполнен, например, в виде источника напряжения). С шиной питания 1 непосредственно соединен первый вывод обмотки 4 основного дросселя, а второй вывод этой обмотки подключен к средней точке двухфазной первичной обмотки 5 трансформатора 6.
Первый вывод первичной обмотки 5 трансформатора 6 подключен ко второй шине питания 2 через выходную цепь первого силового транзистора 7, а второй вывод первичной обмотки 5 подключен к этой шине через выходную цепь второго силового транзистора 8.
Вторичная обмотка 9 трансформатора 6 через двухполупериодный выпрямитель 10 тока этой обмотки подключена к конденсатору 11 выходного фильтра. Параллельно этому конденсатору включена нагрузка 12.
В устройстве на фиг. 1 вторичная обмотка 9 выполнена с выводом средней точки, а двухполупериодный выпрямитель 10 тока этой обмотки содержит два вентильных элемента. В устройстве на фиг. 2 вторичная обмотка 9 содержит одну секцию, а четыре вентильных элемента двухполупериодного выпрямителя 10 соединены по схеме моста.
Первый диод 13, второй диод 14, третий диод 15 и четвертый диод 16 образуют схему диодного моста. Первый вывод выходной цепи диодного моста непосредственно соединен с первой шиной питания 1. Второй вывод выходной цепи диодного моста подключен ко второй шине питания 2 через обмотку 17 дополнительного дросселя.
Первый вывод входной цепи диодного моста через первый конденсатор 18 подключен к точке соединения первого вывода первичной обмотки 5 трансформатора 6 с первым силовым транзистором 7.
Второй вывод входной цепи диодного моста через второй конденсатор 19 подключен к точке соединения второго вывода первичной обмотки 5 трансформатора 6 со вторым силовым транзистором 8.
Цели технического решения, предлагаемого в данном изобретении, достигаются благодаря взаимодействию существенных известных и отличительных признаков устройства.
В стационарном режиме работы двухтактного DC/DC-преобразователя в первой части каждого такта в состоянии высокой проводимости находятся оба силовых транзистора (7 и 8). При этом первичная обмотка 5 трансформатора 6 оказывается закороченной, к силовой обмотке 4 основного дросселя приложено напряжение питания, и в нем накапливается энергия.
В начале первого такта работы отпирается первый силовой транзистор 7, а второй силовой транзистор 8 продолжает находиться в состоянии высокой проводимости.
Во второй части первого такта запирается второй силовой транзистор 8, а первый силовой транзистор 7 продолжает находиться в состоянии высокой проводимости. Основной дроссель начинает отдавать энергию, и на его обмотке 4 появляется напряжение «обратной» полярности. Соответственно потенциал средней точки первичной обмотки 5 становится выше потенциала первой шины питания 1 на величину указанного напряжения «обратной» полярности на обмотке 4. При этом на первой половине первичной обмотки 5 трансформатора 6 возникает напряжение, величина которого практически равна потенциалу средней точки. Из-за магнитной связи между половинами первичной обмотки 5 такое же напряжение устанавливается на второй половине обмотки 5, и второй конденсатор 19 оказывается заряженным этим напряжением, причем положительный знак напряжения устанавливается на выводе конденсатора, который подключен ко второму выводу первичной обмотки 5.
В начале второго такта отпирается второй силовой транзистор 8, а первый транзистор 7 продолжает оставаться в состоянии высокой проводимости. После отпирания транзистора 8 начинается процесс разряда второго конденсатора 19. Ток разряда замыкается по следующему контуру: второй конденсатор 19 → второй силовой транзистор 8 → обмотка 17 дополнительного дросселя → четвертый диод 16 → второй конденсатор 19.
Из-за наличия в контуре обмотки 17 дополнительного дросселя процесс имеет колебательный характер. Ток конденсатора 19 изменяется по синусоидальному закону, а напряжение на этом конденсаторе - по закону косинусоиды. В конце этого процесса напряжение на конденсаторе должно было бы дорасти до практически начального значения, но противоположного по знаку. Оно, как было показано ранее, больше напряжения питания. Поэтому, когда положительный потенциал на аноде третьего диода 15 достигнет уровня напряжения питания (точнее, превысит его на незначительную величину падения напряжения на диоде 15 в прямом направлении), диод 15 переходит в состояние проводимости, и второй конденсатор 19 оказывается заряженным до напряжения питания. При этом ток обмотки 17 дополнительного дросселя, замыкавшийся до этого через второй конденсатор 19, начинает протекать по контуру: обмотка 17 дополнительного дросселя → четвертый диод 16 → третий диод 15 → источник питания 3 (навстречу ЭДС источника) → обмотка 17 дополнительного дросселя. Энергия, накопленная в дополнительном дросселе, возвращается в источник питания, и ток обмотки 17 снижается во времени.
Предполагается, что индуктивность обмотки 17 дополнительного дросселя удовлетворяет двум условиям.
Первое из них состоит в том, что фиксация напряжения на втором конденсаторе 19 на уровне напряжения питания происходит до момента начала выключения первого силового транзистора 7, которое происходит во втором такте. При этом полярность напряжения на конденсаторе 19: плюс - на выводе конденсатора, соединенном с общей точкой диодов 15 и 16, минус - на выводе конденсатора, который подключен ко второму выводу первичной обмотки 5 трансформатора 6. Указанное напряжение на втором конденсаторе 19 сохраняется до момента запирания второго силового транзистора 8, что происходит в первом такте следующего цикла работы схемы.
Второе условие, что снижение до нуля тока обмотки 17 завершается до начала нового такта работы схемы и к началу каждого нового такта в дополнительном дросселе отсутствует энергия, накопленная в предыдущем такте.
Вторая часть второго такта работы начинается с момента запирания первого силового транзистора 7, а второй силовой транзистор 8 продолжает находиться в состоянии высокой проводимости. Основной дроссель начинает отдавать энергию, и на его обмотке 4 появляется напряжение «обратной» полярности. Соответственно потенциал средней точки первичной обмотки 5 становится выше потенциала первой шины питания 1 на величину указанного напряжения «обратной» полярности на обмотке 4. При этом на второй половине первичной обмотки 5 трансформатора 6 возникает напряжение, величина которого практически равна потенциалу средней точки. Из-за магнитной связи между половинами первичной обмотки 5 такое же напряжение устанавливается на первой половине обмотки 5, и первый конденсатор 18 оказывается заряженным этим напряжением, причем положительный знак напряжения устанавливается на выводе конденсатора, который подключен к первому выводу первичной обмотки 5.
В начале первого такта в следующем цикле работы схемы отпирается первый силовой транзистор 7, а второй силовой транзистор 8 продолжает находиться в состоянии высокой проводимости. После отпирания транзистора 7 начинается процесс разряда первого конденсатора 18. Ток разряда замыкается по следующему контуру: первый конденсатор 18 → первый силовой транзистор 7 → обмотка 17 дополнительного дросселя → второй диод 14 → первый конденсатор 18.
Из-за наличия в контуре обмотки 17 дополнительного дросселя процесс имеет колебательный характер. Ток конденсатора 18 изменяется по синусоидальному закону, а напряжение на этом конденсаторе - по закону косинусоиды. В конце этого процесса напряжение на конденсаторе должно было бы дорасти до практически начального значения, но противоположного по знаку. Оно, как было показано ранее, больше напряжения питания. Поэтому, когда положительный потенциал на аноде первого диода 13 достигнет уровня напряжения питания (точнее, превысит его на незначительную величину падения напряжения на диоде 13 в прямом направлении), диод 13 переходит в состояние проводимости, и первый конденсатор 18 оказывается заряженным до напряжения питания. При этом ток обмотки 17 дополнительного дросселя, замыкавшийся до этого через первый конденсатор 18, начинает протекать по контуру: обмотка 17 дополнительного дросселя → второй диод 14 → первый диод 13 → источник питания 3 (навстречу ЭДС источника) → обмотка 17 дополнительного дросселя. Энергия, накопленная в дополнительном дросселе, возвращается в источник питания, и ток обмотки 17 снижается во времени.
Предполагается, что индуктивность обмотки 17 дополнительного дросселя такова, что фиксация напряжения на первом конденсаторе 18 на уровне напряжения питания происходит до момента начала выключения второго силового транзистора 8, которое происходит в первом такте. При этом полярность напряжения на конденсаторе 18: плюс - на выводе конденсатора, соединенном с общей точкой диодов 13 и 14, минус - на выводе конденсатора, который подключен к первому выводу первичной обмотки 5 трансформатора 6. Указанное напряжение на первом конденсаторе 18 сохраняется до момента запирания первого силового транзистора 7, что происходит во втором такте следующего цикла работы схемы.
Далее в первом такте второго цикла работы запирается второй силовой транзистор 8. При запирании транзистора 8 напряжение на нем начинает нарастать от нулевого уровня, что обусловлено процессом перезаряда второго конденсатора 19. Во время этого процесса ток конденсатора 19 замыкается по контуру: обмотка 4 основного дросселя → вторая половина первичной обмотки 5 трансформатора 6 → второй конденсатор 19 → третий диод 15 → обмотка 4 основного дросселя. При этом напряжение на выходной цепи второго силового транзистора 8 нарастает с ограниченной скоростью. Скорость нарастания напряжения обратно пропорциональна емкости конденсатора 19.
Аналогичным образом во втором такте второго цикла работы происходит нарастание напряжения на выходной цепи первого силового транзистора 7 при его запирании.
Далее процессы в схеме повторяются.
Дополнительные конденсаторы 18 и 19 способны поглощать энергию, запасаемую в каждом такте в индуктивностях рассеяния трансформатора 6. Тем самым эффективно ограничивается амплитуда выбросов напряжения на первичной обмотке 5 трансформатора 6 и, соответственно, предотвращается работа силовых транзисторов в режиме пробоя.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обусловливает при каждом запирании силовых транзисторов нарастание напряжения на них от нуля, причем нарастание происходит с ограниченной скоростью, а также способно предотвратить работу транзисторов в режиме пробоя. Этим достигается поставленная цель - снижение коммутационных потерь энергии в силовых транзисторах, что повышает надежность их работы и способствует повышению эффективности процесса преобразования энергии.
Источники информации
1. Мелешин В.И., Овчинников Д.А. Управление транзисторными преобразователями электроэнергии. - М.: Техносфера, 2011. - 576 с.