ФАЗОСДВИГАЮЩИЙ ИНВЕРТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
PHASE-SHIFTING INVERTING CONVERTER

Настоящее изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано, в частности, для создания источников питания с увеличенной выходной мощностью, малыми потерями и улучшенными параметрами электромагнитной совместимости.
Предлагаемая схема является разновидностью мостовой схемы с фазовым сдвигом.
Из существующего уровня техники известна мостовая схема с фазовым сдвигом (Патент US 4,864,479, опубл. 05.09.1989). Схема, изображенная на фиг. 1 патента US 4,864,479, содержит входной мостовой преобразователь (силовой инвертор), состоящий из ведущего и ведомого полумостов, трансформатора, выпрямителя и выходного фильтра. Выходное напряжение контролируется изменением фазового сдвига между ведущим и ведомым полумостами. Для снижения динамических потерь используются паразитные выходные емкости РС1-РС4 силовых транзисторов S1-S4, а также паразитные диоды PD1-PD4, а также индуктивность рассеяния трансформатора. Во время пауз между интервалами проводимости верхних и нижних ключей происходит квазирезонансный процесс в колебательном контуре, образованном выходными емкостями ключей и индуктивностью рассеяния трансформатора. Благодаря этому включение транзисторов происходит при напряжениях, близких к нулевым, и значительное снижение мощности динамическитх потерь.
В руководстве по применению SLUP101 [Andreycak В. Designing a Phase Shifted, Zero Voltage Transition (ZVT), Texas Instruments Literature No. SLUP101 - Unitrode Power Supply Design Seminar SEM-900 topic 3, 1993 г.] отмечаются следующие особенности мостовой схемы с фазовым сдвигом:
1. Возрастание динамических потерь в режиме малой нагрузки, поскольку энергия, накопленная индуктивностью рассеяния трансформатора, должна обеспечивать перезаряд выходных емкостей ключей во время паузы между интервалами проводимости.
2. Переходные процессы, приводящие к переключению при нулевом напряжении, различаются для ведущего и ведомого полумоста.
3. Кроме того, из приведенных временных диаграмм следует, что во время интервала паузы оба выпрямительных диода проводят ток. Таким образом, энергия, запасенная индуктивностью рассеяния во время интервала проводимости, затрачивается на поддержание тока нагрузки. Следствием этого является нарушение условий переключения при нулевом напряжении при уменьшении угла сдвига фазы (коэффициента заполнения) в процессе регулирования.
Для преодоления указанных недостатков предлагается ряд решений.
В указанном выше руководстве SLUP101 предлагается установка дополнительного дросселя последовательно с первичной обмоткой трансформатора и даются рекомендации по расчету его номинала. Однако такое решение не обеспечивает переключение при нулевом напряжении в режиме "холостого хода" и при очень малой нагрузке. Кроме того, увеличение номинала индуктивности ограничивает возможности увеличения рабочей частоты и выходной мощности преобразователя.
Известны решения, основанные на использовании электромагнитного узла с двумя трансформаторами (патент РФ №2421869, опубл. 20.06.2011, патент РФ №2316884, опубл. 10.02.2008, патент US 5,875,103, опубл. 23.02.1999).
Предлагаемые решения обеспечивают выполнение условий мягкой коммутации при изменении тока нагрузки от 0% до 100%, а также угла сдвига фазы от 0% до 100%. Однако несимметричный режим работы трансформаторов в составе электромагнитного узла требует применения магнитопроводов с немагнитными зазорами. При этом для достижения требуемых значений входной индуктивности требуется значительное увеличение числа витков в обмотках трансформаторов, что приводит к росту потерь в обмотках, а также увеличению площади окна намотки. Кроме того, предлагаемые схемы не позволяют регулировать выходное напряжение в сторону уменьшения до нулевых значений. Сказанное обусловлено тем, что оперативный ток, служащий для обеспечения мягкого режима работы, трансформируется во вторичные цепи, тем самым создавая дополнительное напряжение на нагрузке.
В публикации Mecke Н., Fischer W., Werter F. Soft switching inverter power source for arc welding. EPE′97 Conf. 1997. Trondheim. PP. 4333-4337 предложена и описана схема сварочного инвертера на основе мостовой схемы с фазовым сдвигом. Особенностью схемы является специальный алгоритм управления, при котором транзисторы ведущего полумоста переключаются при нулевом напряжении, а ведомого - при нулевом токе. Кроме того, последовательно с первичной обмоткой трансформатора установлен нелинейный насыщающийся дроссель. В насыщенном состоянии дроссель имеет индуктивность, близкую к нулевой, тем самым не оказывая влияния на функционирование силового контура. При изменении полярности тока, протекающего в цепи первичной обмотки, дроссель кратковременно выходит из режима насыщения. Тем самым обеспечивается формирование временного интервала, в течение которого ток в первичной обмотке трансформатора близок к нулю и не оказывает воздействия на процессы перезаряда выходных емкостей ключей ведущего и ведомого полумостов. Схема обладает следующими недостатками:
1. Усложнение схемы управления ключами ведомого полумоста.
2. При очень малой нагрузке и (или) малом угле фазового сдвига не обеспечивается переключение ключей ведущего полумоста при нулевом напряжении. Наличие дополнительных емкостей, подключенных параллельно ключам ведущего полумоста, приводит в этом случае к появлению дополнительных динамических потерь.
Наиболее близким аналогом является решение, описанное в US 5,875,103 (вариант схемы, изображенный на фиг. 9 патента US 5,875,103).
Это устройство содержит два инвертора - ведущий (200′) и ведомый (300′), которые параллельно соединены по входам питания. Высокочастотный трансформатор 900 соединен с выходами переменного тока инверторов. Кроме того, к выходам переменного тока параллельно трансформатору присоединены индуктивности 24 и 34, по одной на каждый инвертор, которые другими выводами соединяются между собой. Емкостный делитель 400′ состоит из двух конденсаторов, подключенных к точке соединения индуктивностей, а также соответственно положительной и отрицательной шинам питания. Переменный ток, протекающий через индуктивности 24 и 34, создает дополнительную реактивную нагрузку на инверторы 200′ и 300′ соответственно, обеспечивая включение силовых ключей при нулевом напряжении в режиме малой нагрузки и холостого хода, а также при малом угле фазового сдвига.
Однако прототип имеет ряд недостатков:
1. Несимметричная работа инверторов 200′ и 300′ приводит к появлению постоянной составляющей напряжения на индуктивностях 24 и 34, следствием чего является их одностороннее намагничивание сквозным током, и несимметричная работа верхних и нижних ключей. Следствием этого может являться потеря режима включения при нулевом напряжении и возрастание динамических потерь.
2. В время переходных процессов ведомый инвертор 300′ обеспечивает несимметричный режим работы, что приводит к одностороннему намагничиванию индуктивности 34.
В основу заявленного изобретения поставлена задача обеспечения режима включения при нулевом напряжении, в том числе в условиях нестабильной нагрузки и изменяющихся параметров электропитания, исключения влияния несимметричной работы инверторов на режим включения при нулевом напряжении, обеспечения режима переключения при нулевом напряжении как при изменении нагрузки от режима холостого хода до номинального значения, так и при изменении угла фазового сдвига от 0° до 180°.
Технический результат достигается тем, что фазосдвигающий инверторный преобразователь, содержащий ведущий и ведомый полумостовые инверторы, трансформатор, отличается тем, что содержит дроссель насыщения, который последовательно соединен с первичной обмоткой трансформатора, образуя последовательную цепь, подключенную между выходами ведущего и ведомого полумостовых инверторов, первый последовательный колебательный контур, состоящий из первой емкости и первого дросселя, подключенного к выходу ведущего полумостового инвертора, причем дроссель насыщения может быть подключен к выходу ведущего полумостового инвертора, а первичная обмотка трансформатора подключена к выходу ведомого полумостового инвертора, или дроссель насыщения может быть подключен к выходу ведомого полумостового инвертора, а первичная обмотка трансформатора подключена к выходу ведущего полумостового инвертора.
На фиг. 1 заявленного изобретения изображен вариант исполнения фазосдвигающего инверторного преобразователя, который содержит ведущий и ведомый полумостовые инверторы, трансформатор Тр1, первичная обмотка которого с одной стороны последовательно соединена с дросселем насыщения ДрН. Дроссель насыщения ДрН другим концом обмотки подключен к выходу ведомого полумостового инвертора, а первичная обмотка трансформатора Тр1 подключена к выходу ведущего полумостового инвертора, куда также подключен первый дроссель Др1, образующий первый последовательный колебательный контур вместе с первой емкостью С1. Как вариант исполнения, к соединению первого дросселя Др1 с первой емкостью С1 можно подключить первую дополнительную емкость Сд1, образующую с первой емкостью С1 первый емкостный делитель, и в данном случае первый дроссель Др1 соединяется с первым емкостным делителем С1-Сд1. Подключение дополнительной емкости Сд1 позволяет улучшить пусковые характеристики ведущего полумостового инвертора. То есть, в данной конструкции ведомый полумостовой инвертор не содержит вспомогательных цепочек. Кроме того, он не содержит дополнительных емкостей, кроме паразитных выходных емкостей ключей. Вариант оправдан тем, что дроссель насыщения ДрН обеспечивает включение транзисторов ведомого полумостового инвертора при нулевом токе. Данный вариант не позволяет исключить динамические потери при выключении транзисторов ведомого полумостового инвертора, однако он имеет минимальное количество элементов силового контура.
На фиг. 2 изображен вариант исполнения фазосдвигающего инверторного преобразователя. В этой конструкции к выходу ведомого полумостового инвертора подключен второй последовательный колебательный контур, состоящий из второго дросселя Др2 и второй емкости С2. Вариантом исполнения может быть подключение второй дополнительной емкости Сд2 к точке соединения второго дросселя Др2 со второй емкостью С2 для создания второго емкостного делителя С2-Сд2. Второй последовательный колебательный контур позволяет исключить динамические потери при выключении транзисторов ведомого полумостового инвертора, а вторая дополнительная емкость Сд2 подключается для улучшения запуска ведомого полумостового инвертора.
На фиг. 3 изображен вариант исполнения фазосдвигающего инверторного преобразователя. К выходам переменного тока ведущего и ведомого полумостовых инверторов подключается соответственно первый дроссель Др1 и второй Др2. В отличие от прототипа они не имеют общей точки соединения, обеспечивая тем самым раздельные и независимые нагрузки для ведущего и ведомого полумостовых инверторов. К противоположному концу первого дросселя Др1 подключена первая емкость С1 или первый емкостный делитель С1-Сд1. Расчет параметров элементов выполняется таким образом, что ток, протекающий через первый дроссель Др1, обеспечивает перезаряд выходных емкостей ключей во время интервалов переключения, в то же время не приводя к значительному росту статических потерь. Отличие ведомого полумостового инвертора заключается в том, что во время переходных процессов и в ходе регулировки его ключи работают с переменным коэффициентом заполнения. Перезаряд емкостей ведомого полумостового инвертора может приводить к временному нарушению, а в случае нестабильной нагрузки - к потере режима мягкого переключения. Для преодоления указанного недостатка второй дроссель Др2 и вторая С2 образуют второй последовательный колебательный контур, номиналы которого выбираются таким образом, что его резонансная частота превышает рабочую частоту фазосдвигающего инверторного преобразователя, а размах напряжения на первой емкости С1 и второй емкости С2 близок к напряжению питания.
Возможен режим работы фазосдвигающего инверторного преобразователя, при котором второй последовательный колебательный контур входит в резонанс с рабочей частотой фазосдвигающего инверторного преобразователя, в результате чего появляется возможность неограниченного роста напряжения с возможностью пробоя элементов фазосдвигающего инверторного преобразователя. Для предотвращения подобных ситуаций в конструкцию целесообразно ввести диодные ограничители Д5 и Д6 амплитудных колебаний напряжения - фиг. 3.
Использование данных технических решений гарантирует мягкий режим переключения при снижении выходной нагрузки вплоть до режима холостого хода, а также при уменьшении коэффициента заполнения и позволяет создать фазосдвигающие инверторные преобразователи в соответствии с поставленной задачей обеспечения бесперебойной работы фазосдвигающего инверторного преобразователя при работе с постоянной нагрузкой, изменяющейся нагрузкой и скачкообразно изменяющейся нагрузкой при работе с цифровыми модулями.