Резонансный преобразователь постоянного напряжения с повышенными надежностью и КПД
RESONANT DC VOLTAGE CONVERTER WITH INCREASED RELIABILITY AND EFFICIENCY

Изобретение относится к области электротехники, в частности к резонансным преобразователям постоянного напряжения в постоянное.
Известен мостовой последовательный резонансный LC-преобразователь с включенным в диагональ моста резонансным контуром [1, 2]. За счет введения резонансного контура происходит мягкая коммутация ключевых элементов, что позволяет уменьшить динамические потери преобразователя. Данный преобразователь состоит из резонансного мостового инвертора 1, системы управления 2, выпрямителя 3, выходного фильтра 4 и нагрузки 5 (фиг.1).
В диагональ резонансного мостового инвертора 1 включены последовательный резонансный контур, состоящий из индуктивности L и конденсатора С, и первичная обмотка трансформатора TV. Вторичная обмотка трансформатора TV подсоединена к выпрямителю 3.
В данной топологии резонансный контур и первичная обмотка трансформатора TV представляют собой делитель напряжения. При изменении рабочей частоты изменяется импеданс резонансного контура и, соответственно, изменяется напряжение на обмотке трансформатора. Поэтому, для регулирования выходного напряжения, используется метод частотно-импульсной модуляции. Плечи мостового инвертора 1 переключаются в противофазе, прикладывая к резонансному контуру и трансформатору TV напряжение питания в прямой и обратной полярности, формируя «меандр» с рабочей частотой преобразователя, определяемой системой управления 2. Коэффициент заполнения управляющих импульсов всегда меньше 50% для формирования паузы между переключениями плечей мостового инвертора [1].
Для данной топологии характерна работа в диапазоне частот выше резонансной частоты LC-контура. Значение коммутируемого тока минимально на резонансной частоте и увеличивается с увеличением рабочей частоты. Во время паузы, после выключения транзисторов одного плеча мостового инвертора до момента переключения ключевых элементов выпрямителя, ток резонансного контура начинает резко уменьшаться до нулевого значения, замыкаясь при этом через обратные диоды транзисторов противоположного плеча, при этом напряжение на дросселе резонансного контура резко увеличивается. Кроме того, в течение данного интервала времени энергия, запасенная в резонансном контуре, остается циркулировать в цепи инвертора 1 и не передается в нагрузку. Эти процессы приводят к уменьшению КПД и снижению надежности работы преобразователя (фиг.2) [1, 2].
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является «Резонансный мостовой преобразователь напряжения» [3] (фиг.3). В данном патенте предлагается использовать дополнительный трансформатор, первичная обмотка которого включена параллельно конденсатору резонансного контура, а вторичная - через дополнительный выпрямитель к выходному фильтру преобразователя. Данное техническое решение позволяет ограничивать энергию, накапливаемую в резонансном контуре на заданном уровне. Если напряжение на вторичной обмотке не превышает выходное напряжение преобразователя, все диоды дополнительного выпрямителя закрыты и данная цепь практически не оказывает влияния на работу преобразователя. При достижении заданного уровня напряжения на резонансном конденсаторе открывается одна из пар диодов дополнительного выпрямителя, в зависимости от полярности напряжения на нем. Напряжение на конденсаторе остается на заданном уровне, а энергия входного источника передается в нагрузку через дополнительный выпрямитель (фиг.3).
Однако, учитывая, что напряжение на резонансном дросселе во время паузы всегда больше напряжения на конденсаторе и может превышать его в несколько раз, то в широком диапазоне рабочих режимов преобразователя данное схемотехническое решение никак не ограничивает во время паузы циркулирующую энергию и выброс напряжения на резонансном дросселе.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение КПД и повышение надежности работы резонансного преобразователя постоянного напряжения.
Для достижения технического результата в резонансный преобразователь постоянного напряжения в постоянное (фиг.1), включающий в себя мостовой инвертор с системой управления, в диагональ которого последовательно включены резонансный LC-контур, состоящий из дросселя и конденсатора, и первичная обмотка трансформатора, вторичная обмотка которого через первый выпрямитель и выходной фильтр подключена к выходу преобразователя, в дроссель резонансного контура введена дополнительная обмотка L:2, соединенная через второй выпрямитель с выходом преобразователя (фиг.4). Напряжение на дополнительной обмотке L:2 пропорционально напряжению на дросселе резонансного контура. Диоды второго выпрямителя закрыты, пока напряжение на дополнительной обмотке L:2 не превышает выходное напряжение преобразователя. При достижении заданного уровня напряжения на резонансном дросселе открывается одна из пар диодов второго выпрямителя 6, в зависимости от полярности напряжения на нем. Уровень ограничиваемого напряжения задается таким образом, чтобы в статическом режиме рабочего интервала преобразователя (пара транзисторов одного плеча моста полностью открыты, противоположного - полностью закрыты) все диоды выпрямителя 6 были закрыты и вся энергия передавалась в нагрузку через трансформатор TV и выпрямитель 3. Во время паузы, когда ток резонансного контура перестает протекать через ключевые элементы выпрямителя 3, напряжение на дросселе L резко увеличивается, открывая в соответствующую диодную пару выпрямителя 6. Напряжение на дросселе L остается на заданном уровне, а энергия резонансного контура через выпрямитель 6 поступает в нагрузку. В это время ток резонансного контура продолжает уменьшаться. В момент, когда он достигает нулевого значения, происходит переключение ключевых элементов выпрямителя 3, ток меняет свою полярность, и энергия снова передается в нагрузку через трансформатор TV и выпрямитель 3. Напряжение на дросселе резко снижается и падает ниже заданного значения, соответственно диоды выпрямителя 6 закрываются. Предложенное схемотехническое решение существенно снижает уровень циркулирующей в цепи инвертора энергии за счет передачи ее части непосредственно в нагрузку и уменьшает выброс напряжения на дросселе резонансного контура (фиг.5) во время паузы, практически не влияя на работу преобразователя в остальное время. Таким образом, введение в схему резонансного преобразователя дополнительной обмотки дросселя и второго выпрямителя, позволяет увеличить его КПД и повысить надежность во всем рабочем диапазоне.
Изготовлены экспериментальные образцы прототипа (фиг.1) и предлагаемого преобразователя мощностью до 1.5 кВт (фиг.4), работающие в диапазоне входных напряжений от 105 до 160 В и стабилизирующие выходное напряжение на уровне 100 В. Зависимость КПД от тока нагрузки прототипа [1] и предлагаемого преобразователя [2] представлены на фиг.6.
Литература
1. Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. М.: Техносфера, 2005.
2. Yang В. Topology investigation of front end DC/DC converter for distributed power system: PhD. Blacksburg, 2003.
3. Глебов В.А, Жигачев В.А. Резонансный мостовой преобразователь напряжения, патент РФ №2593148, БИПМ №21 от 27.07.2017.