ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ НАПРЯЖЕНИЕ
DC-TO-DC VOLTAGE CONVERTER

Изобретение относится к преобразовательной технике, в частности к высокочастотным преобразователям постоянного напряжения в постоянное напряжение повышенной мощности с гальванической развязкой цепей, и может быть использовано в электрических схемах источников питания постоянного тока различного назначения.
В передовых странах постоянно увеличивается количество разнообразных используемых первичных источников энергии на фоне еще более быстрого темпа роста потребителей электроэнергии. Такая тенденция порождает острую потребность в технических средствах, осуществляющих преобразование электроэнергии первичных источников в вид, необходимый для работы разнообразных потребителей. Такими техническими средствами являются силовые преобразовательные устройства, в том числе преобразователи постоянного напряжения в постоянное напряжение.
Современные промышленно применяемые образцы преобразователей постоянного напряжения в постоянное напряжение с гальванической развязкой обладают коэффициентом полезного действия в пределах 85-92%. Эти цифры означают, что потери полезной мощности составляют от 8 до 15%. Потери в активных элементах преобразователей разделяют на коммутационные (динамические), возникающие при коммутации силовых транзисторов (ключей), и потери на проводимость (омические). Потери на проводимость обусловлены выбором элементной базы, величиной тока и пульсаций тока в преобразовательном устройстве. Динамические потери связаны с потерями мощности в транзисторах и диодах преобразователя в моменты переключения.
Уменьшение динамических потерь в транзисторах преобразователя является одной из актуальных задач при создании новых преобразовательных устройств. Это позволит увеличить частоту работы преобразователя, как следствие уменьшить его габариты. Уменьшение динамических потерь на транзисторах играет первостепенную роль при увеличении надежности преобразовательных модулей. Дополнительное повышение КПД силовых преобразователей на 1-2% даст существенную экономию энергоресурсов.
В настоящее время известно большое число преобразователей постоянного напряжения в постоянное напряжение с гальванической развязкой позволяющих уменьшить динамические потери в транзисторах этих преобразователей.
Так, в патенте U.S. 6356462, дата приоритета 31.08.2000 года,  «Управляемый по фазе мостовой преобразователь» имеет схему, которая позволяет реализовать режим поддержания постоянного напряжения, тока и, в случае необходимости, выходной мощности. Основным недостатком данной топологии является циркуляция тока в первичной цепи в режиме паузы, а также высокочастотный «звон» выпрямительных ключей, связанный с необходимостью использования повышенной индуктивности рассеивания трансформатора. Вследствие чего растут потери, и увеличивается уровень электромагнитных помех. При уменьшении нагрузки, транзисторы выходят из режима переключения при нуле напряжения, что приводит к уменьшению КПД и росту тепловых потерь.
Известен резонансный LLC преобразователь по патенту U.S. 6344979, дата приоритета 09.02.2001 года, который обеспечивает максимальный КПД при максимальном входном напряжении (до 95% по экспертной оценке).
Недостатком данного преобразователя являются управление по частоте, что усложняет схему контроля распределением токов в случае использования нескольких каналов, включенных параллельно, а также усложненная схема защиты при режиме работы на коротком замыкании или ограничении выходного тока.
Также известен преобразователь постоянного напряжения по патенту U.S. 5563780, дата приоритета 08.12.1993 года, в котором ряд преобразователей включен параллельно по входу и выходу со сдвигом работы одного преобразователя относительно другого во времени. Вначале первый преобразователь формирует выходное напряжение, потом с небольшим перекрытием второй преобразователь формирует выходное напряжение на общей выходной емкости и т.д. Данное решение позволяет уменьшить пульсации выходного напряжения на нагрузке, распределяет общую мощность на ряд блоков.
К общим недостаткам указанных аналогов можно отнести то, что в техническом решении каждый преобразователь, выполненный в виде мостовой схемы или резонансной схемы или полумостовой схемы и т.д., работает как самостоятельный преобразователь, то есть транзисторы в диагоналях одного преобразователя не влияют на динамические потери в транзисторах другого преобразователя, за исключением влияния от перекоса токов в преобразователях. Сигналы управления заставляют отработать вначале первый преобразователь, потом второй преобразователь с частичным перекрытием по подаче выходного напряжения на выходную емкость и т.д. В результате динамические потери в транзисторах остаются на уровне, свойственном топологии построения каждого из преобразователей, объединенных в параллель.
Наиболее близким, взятым в качестве прототипа, является преобразователь постоянного напряжения, содержащий трансформатор, первичная обмотка которого подключена в средние точки двух диагоналей транзисторного моста, каждый из которых образован двумя последовательно включенными вентильными элементами, а вторичная обмотка трансформатора подключена к нагрузке через выпрямительные диоды и сглаживающий фильтр (Источники электропитания РЭА. Справочник под ред. Г.С. Найвельта. М.: Радио и связь, 1986, стр.360-368).
К недостаткам известного преобразователя следует отнести высокий уровень динамических потерь в транзисторах, которые появляются в момент переключения транзисторов из высокоомного состояния в низкоомное и обратно. В момент отпирания транзистора напряжение на нем падает практически до нуля за конечное время, при этом ток через транзистор начинает расти с момента начала переключения. В результате за время перехода транзистора в открытое состояние на нем выделяется мощность потерь. Также в момент запирания ключа в известной схеме происходит потеря мощности, за счет того что ключ переходит в высокоомное состояние за конечное время, и в течение этого времени через него протекает ток нагрузки. В результате на транзисторе выделяется активная энергия потерь. Чем выше частота коммутации ключей, тем большие потери выделяются на транзисторах. Это приводит к необходимости отвода тепла от транзисторов путем установки радиаторов и/или вентиляторов, что в свою очередь, увеличивает габариты источника питания, увеличивает его себестоимость и уменьшает надежность.
Общим недостатком, как аналогов, так и прототипа является то, что в силовых транзисторах преобразователя по-прежнему возникают коммутационные потери, которые подвергают их сильной нагрузке, в частности тепловой. В результате силовые транзисторы соответственно быстро стареют, а интенсивность их отказов возрастает с продолжительностью эксплуатации преобразовательной схемы. Высокая готовность преобразовательной схемы к эксплуатации, обязательная, например, в области создания тяги, в этом случае отсутствует.
Задачей заявляемого технического решения является повышение КПД, срока службы и надежности работы преобразователей постоянного напряжения в постоянное напряжение, при одновременном уменьшении их габаритов.
Поставленная цель достигается за счет того, что в заявленный преобразователь, содержащий блок управления и трансформатор, первичная обмотка которого подключена в средние точки двух диагоналей транзисторного моста, каждая из которых образована двумя последовательно включенными транзисторами, а вторичные обмотки трансформатора подключены к нагрузке через выпрямительные диоды и выходной конденсатор, дополнительно содержит две транзисторные диагонали, каждая из которых состоит из двух транзисторов и дополнительный трансформатор, первичная обмотка которого включена в средние точки дополнительных транзисторных диагоналей, а вторичные обмотки через дополнительные выпрямительные диоды подключены к выходному конденсатору и к нагрузке, при этом блок управления выполнен обеспечивающим формирование четырех последовательностей импульсов с частичным наложением во времени одного на два соседних импульса.
Кроме того, преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение имеет такой блок управления, который выполнен обеспечивающим поочередную подачу импульсов на транзисторы диагоналей преобразователя в порядке: на первую диагональ, на третью диагональ, на вторую диагональ, на четвертую диагональ и так далее.
Технический результат, получаемый при осуществлении заявленного решения, достигается за счет создания преобразователя с улучшенной схемой преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, обеспечивающей многократное снижение коммутационных потерь, благодаря тому, что коммутация транзисторов происходит практически при нуле тока.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в заявленном преобразователе новым является наличие в схеме:
- 2-х транзисторных диагоналей, каждая из которых состоит из двух транзисторов;
- дополнительного трансформатора, первичная обмотка которого включена в средние точки дополнительных транзисторных диагоналей, а вторичная обмотка через дополнительные выпрямительные диоды подключена к выходному конденсатору и к нагрузке;
- блок управления выполнен обеспечивающим формирование четырех последовательностей импульсов с частичным наложением во времени одного на два соседних импульса;
- блок управления выполнен обеспечивающим поочередную подачу импульсов на транзисторы диагоналей преобразователя в порядке: на первую диагональ, на третью диагональ, на вторую диагональ, на четвертую диагональ и так далее, что позволяет сделать вывод, что заявленное изобретение соответствует критерию «новизна».
Анализ известных преобразователей постоянного напряжения в постоянное напряжение показал, что заявленное решение за счет принципиально новой преобразовательной схемы, позволило получить принципиально новый преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение, не применявшийся ранее. Это позволяет сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения заключается в том, что благодаря предложенной топологии и алгоритму управления, достигается перехват рабочего тока у закрывающихся транзисторов, благодаря чему транзисторы переходят в высокоомное состояние при нулевом рабочем токе. Открываются транзисторы при нулевом токе, так как рабочий ток через них начинает протекать в конце фронта переключения в низкоомное состояние. В результате этого динамические потери в транзисторах преобразователя многократно уменьшаются.
Заявленное решение поясняется чертежами.
На Фиг.1 изображена схема преобразователя;
На Фиг.2 изображены диаграммы сигналов управления;
На Фиг.3 изображена диаграмма тока через транзистор и напряжения сток-исток.
Заявленный преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение согласно схеме на Фиг.1 содержит:
транзисторы 1-8; трансформаторы 9, 10; диоды 11-14; выходную емкость 15; блок управления 16.
Транзисторы 1 и 4 образуют первую диагональ, транзисторы 2 и 3 образуют вторую диагональ. Первичная обмотка трансформатора 9 подключена в средние точки первой и второй диагоналей, а вторичная обмотка через выпрямительные диоды 11 и 12 подключена к выходному конденсатору 12. Транзисторы 5 и 8 образуют третью диагональ схемы. А транзисторы 6 и 7 - четвертую диагональ схемы. Первичная обмотка трансформатора 10 подключена в средние точки 3 и 4 диагоналей, а вторичная обмотка через выпрямительные диоды 13 и 14 подключена к выходному конденсатору 15. Блок управления соединен с каждым из транзисторов 1-8.
На Фиг.2 изображены диаграммы сигналов управления (далее СУ) СУ1-СУ4, формируемые блоком управления 16 для управления транзисторами 1-8 преобразователя. Соответственно сигнал управления СУ1 поступает на транзисторы 1 и 4; сигнал управления СУ2 поступает на транзисторы 5 и 8; сигнал управления СУ3 поступает на транзисторы 2 и 3; сигнал управления СУ4 поступает на транзисторы 6 и 7.
На Фиг.2 обозначено время t - время, в течение которого открыты два транзистора одной диагонали преобразователя. Время tн - время наложения соседних импульсов управления.
На Фиг.3 изображена диаграмма тока через транзистор и напряжения сток-исток. Видно, что в момент переключения транзистора в низкоомное состояние ток через транзистор равен нулю. Также и при переключении транзистора в высокоомное состояние видим, что ток к началу момента переключения равен нулю.
Работа преобразователя происходит следующим образом: постоянное напряжение Uвх подается на первичную обмотку трансформатора 9. Ключи 1 и 4 открыты. Ключи 2, 3, 5-8 - закрыты. Через диод 12 протекает ток, заряжая выходной конденсатор 15. Через время t - время работы только первой диагонали импульсы управления от блока управления 16 поступают на транзисторы 5 и 8. Транзисторы начинают открываться. Напряжение на транзисторах уменьшается практически до нуля, при этом ток через транзисторы 5 и 8 не протекает (за исключением тока холостого хода трансформатора), так как выходной диод первой диагонали 14 еще не пропускает ток. В конце момента переключения транзисторов 5 и 8 сигналы управления на транзисторах 1 и 4 переходят в отрицательную область, транзисторы начинают закрываться. В этот момент весь ток нагрузки начинает протекать через ключи 5, 8, трансформатор 10 и диод 14, а через диод 12 ток нагрузки прекращает протекать, т.к. его перехватывает третья диагональ и ее выпрямительный диод 14. Следовательно, и через транзисторы 1 и 4 ток перестает протекать, а значит, транзисторы закрываются практически при нуле тока. Небольшой ток связан с индуктивностью рассеивания трансформатора и может быть сведен практически к нулю за счет принятия соответствующих мер к конструкции трансформатора.
Через время t сигналы управления поступают на вторую диагональ моста, образованную транзисторами 2 и 3, они начинают открываться, но рабочий ток через них не протекает, так как выходной диод 11 не проводит еще ток. Следовательно, они переходят в открытое состояние при нуле тока, в конце момента переключения вторая диагональ перехватывает рабочий ток; ток начинает протекать через диод 11 и транзисторы 2, 3. При этом через диод 14 ток перестает протекать, а следовательно, и транзисторы 5 и 8 закрываются при нулевом рабочем токе. Процесс происходит и далее. В результате этого динамические потери в преобразователе сведены практически к нулю, за счет того что транзисторы включаются и выключаются практически при нулевом рабочем токе.
Положительный эффект предлагаемого преобразователя подтвержден стендовыми испытаниями изготовленного опытного образца мощностью 1 кВт. Был получен низкий уровень потерь, высокий КПД, уменьшение пульсаций выходного напряжения и входного тока. За счет этого уровень создаваемых радиопомех оказался ниже на 20-30 дБ, чем у преобразователей той же мощности и тактовой частоты (сравнение производилось без использования входного фильтра радиопомех).
Достоинствами заявленного решения является повышение КПД, повышение надежности и срока работы преобразователя при одновременном уменьшении его размеров.