РЕЗОНАНСНЫЙ МОСТОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ
RESONANCE BRIDGE VOLTAGE CONVERTER

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.
Известен резонансный мостовой преобразователь напряжения. Его описание дано в книге: В. И. Мелешин. Транзисторная преобразовательная техника. - М.: Техносфера. 2005., рис. 13.7-а, стр. 295. Существенными признаками известной схемы являются:
- Устройство содержит управляемые ключи с инверсной проводимостью (например, полевые транзисторы), образующие мостовую схему, резонансную LC-цепь, выполненную в виде обмотки дросселя и конденсатора, которые соединены последовательно, силовой трансформатор с первичной и вторичной обмотками, выпрямитель тока вторичной обмотки, а также конденсатор выходного фильтра.
- В известной схеме входная цепь мостовой схемы, образованной управляемыми ключами с инверсной проводимостью, подключена к шинам питания устройства.
- К выходной цепи мостовой схемы подключены резонансная LC-цепь и первичная обмотка силового трансформатора, соединенные последовательно друг с другом.
- Вторичная обмотка силового трансформатора через выпрямитель подключена к выводам конденсатора выходного фильтра.
- Нагрузка преобразователя напряжения и конденсатор выходного фильтра соединены параллельно.
В известном устройстве для регулирования энергии, передаваемой потребителю, использованы резонансные явления, возникающие в LC-цепи, образованной обмоткой магнитного накопителя энергии и конденсатором, которые соединены друг с другом последовательно.
Недостатком известного устройства является существование принципиальной возможности нарастания энергии, накапливаемой в элементах LC-цепи, которое происходит от одного такта работы устройства к другому. Это нарастание характеризуется увеличением от такта к такту амплитуды напряжения на конденсаторе LC-цепи и амплитуды тока, протекающего по элементам LC-цепи и первичной обмотке силового трансформатора, коммутируемого силовыми транзисторами. В процессе такого нарастания как амплитуда напряжения на конденсаторе, так и амплитуда тока могут достигать неопределенно больших значений. В частности, амплитуда напряжения на конденсаторе может многократно превзойти напряжение источника питания. Как следствие, снижается надежность работы устройства и ухудшается его энергетическая эффективность.
Накопление энергии в элементах LC-цепи, сопровождаемое нарастанием амплитуд напряжений на них и тока LC-цепи, подтверждается результатами моделирования импульсных процессов в известной схеме.
Целью предлагаемых технических решений является повышение надежности работы преобразователя напряжения путем ограничения энергии, накапливаемой в резонансной LC-цепи, на любом заранее выбранном уровне.
Поставленная цель достигается тем, что известная схема преобразователя напряжения резонансного типа, существенные признаки которой описаны выше, дополнена совокупностью отличительных признаков. А именно:
- Введены дополнительный трансформатор, содержащий первичную и вторичную обмотки, и дополнительный выпрямитель.
- Первичная обмотка дополнительного трансформатора включена параллельно конденсатору резонансной LC-цепи.
- Вторичная обмотка дополнительного трансформатора через дополнительный выпрямитель подключена к выводам конденсатора выходного фильтра.
Предлагаемая схема преобразователя напряжения резонансного типа представлена на фиг. 1.
К шинам питания 1 и 2 преобразователя напряжения подключен источник преобразуемой энергии 3, который является, например, источником постоянного напряжения со значением, равным Е. Преобразователь содержит управляемые ключи 4, 5, 6 и 7 с инверсной проводимостью, образующие мостовую схему (далее в тексте термин "управляемые ключи с инверсной проводимостью" для сокращения заменен термином "управляемые ключи", а термин "мостовая схема, образованная управляемыми ключами", заменен термином "ключевая мостовая схема").
Первый и второй управляемые ключи 4 и 5 ключевой мостовой схемы, соединенные последовательно, образуют первую цепь, которая включена между шинами питания 1 и 2. Третий и четвертый управляемые ключи 6 и 7 ключевой мостовой схемы, соединенные последовательно, образуют вторую цепь, которая включена между шинами питания 1 и 2. Средние точки указанных первой и второй цепей являются соответственно первым и вторым выводами выходной цепи ключевой мостовой схемы.
К выводам выходной цепи ключевой мостовой схемы подключен двухполюсник. Он содержит резонансную LC-цепь, выполненную в виде обмотки дросселя 8 и конденсатора 9, которые соединены последовательно друг с другом, а также первичную обмотку 10 силового трансформатора 11.
Первичная обмотка 10 включена последовательно с упомянутой резонансной LC-цепью.
Вторичная обмотка 12 трансформатора 11 через вентильные элементы выпрямителя (через диоды 13, 14, 15 и 16, соединенные по схеме моста) подключена к конденсатору 17 выходного фильтра. Нагрузка 18 включена параллельно конденсатору 17.
Конструкция вторичной обмотки 12, как и конструкция выпрямителя, не являются существенными признаками устройства. Так, например, вторичная обмотка может содержать две секции. В этом случае средняя точка вторичной обмотки соединена непосредственно с первым выводом конденсатора выходного фильтра, а крайние выводы двухсекционной вторичной обмотки подключены ко второму выводу конденсатора выходного фильтра через вентильные элементы выпрямителя. Существенным является только то, что вторичная обмотка через выпрямитель подключена к выводам конденсатора выходного фильтра.
Параллельно конденсатору 9 резонансной LC-цепи включена первичная обмотка 19 дополнительного трансформатора 20.
Вторичная обмотка 21 дополнительного трансформатора 20 через вентильные элементы выпрямителя (через диоды 22, 23, 24 и 25, соединенные по схеме моста) подключена к выводам конденсатора 17 выходного фильтра.
Конструкция вторичной обмотки дополнительного трансформатора 20, как и конструкция выпрямителя, не являются существенными признаками устройства. Так, например, вторичная обмотка 21 может содержать две секции. В этом случае средняя точка вторичной обмотки соединена непосредственно с одним выводом конденсатора 17 выходного фильтра, а крайние выводы двухсекционной вторичной обмотки подключены к другому выводу конденсатора 17 через вентильные элементы выпрямителя.
Существенным является только то, что вторичная обмотка через выпрямитель подключена к выводам конденсатора 17 выходного фильтра.
Энергия в цепь нагрузки может передаваться несколькими силовыми трансформаторами. В этом случае двухполюсник, подключенный к выходной цепи транзисторной мостовой схемы, содержит резонансную LC-цепь, выполненную в виде обмотки магнитного накопителя энергии 8 и конденсатора 9, соединенных последовательно друг с другом, а также первичные обмотки нескольких силовых трансформаторов. В двухполюснике первичные обмотки силовых трансформаторов включены последовательно друг с другом, а также последовательно с упомянутой резонансной LC-цепью. Вторичные обмотки каждого из силовых трансформаторов через соответствующий выпрямитель подключены к выводам конденсатора выходного фильтра.
Вариант схемы с двумя силовыми трансформаторами представлен на фиг. 2. Он отличается от исходного варианта, изображенного на фиг. 1, тем, что содержит дополнительные силовой трансформатор и выпрямитель тока его вторичной обмотки.
Первичная обмотка 26 дополнительного силового трансформатора 27 введена в двухполюсник, подключенный к выходной цепи мостовой схемы, которая образована управляемыми ключами 4, 5, 6 и 7. В этом двухполюснике первичная обмотка 26 включена последовательно с резонансной LC-цепью и первичной обмоткой 10 силового трансформатора 11.
Вторичная обмотка 28 дополнительного силового трансформатора 27 через выпрямитель, образованный диодами 29, 30, 31 и 32, подключена к выводам конденсатора 17 выходного фильтра.
Принцип работы предлагаемого устройства одинаков как для схемы с единственным силовым трансформатором, так и для схемы с несколькими трансформаторами. Для упрощения принцип действия рассматривается применительно к схеме, содержащей один силовой трансформатор.
Коммутация управляемых ключей 4, 5, 6 и 7 ключевой мостовой схемы обеспечивает появление на выводах двухполюсника, который выполнен в виде последовательного соединения резонансной LC-цепи (L-8, С-9) и первичной обмотки 10 силового трансформатора 11, импульсов напряжения чередующейся полярности. Форма этих импульсов близка к прямоугольной, они одинаковы по длительности, а амплитуда импульсов положительной и отрицательной полярности практически равна Е.
Действием импульсов чередующейся полярности на входе двухполюсника в резонансной LC-цепи возбуждается колебательный процесс. При этом напряжение на конденсаторе 9 резонансной LC-цепи, а также ток, протекающий по этой цепи и первичной обмотке 10 силового трансформатора 11, представляются в виде знакопеременной функции, обладающей плавным характером нарастания и спада, т.е. в виде "полуволн".
Протекание знакопеременного тока по первичной обмотке 10 силового трансформатора 11 вызывает трансформацию тока во вторичную обмотку 12. Ток вторичной обмотки 12 выпрямляется мостовой схемой, образованной диодами 13, 14, 15 и 16. Выпрямленный ток поступает в цепь, образованную конденсатором 17 выходного фильтра и нагрузкой 18, соединенными параллельно. Тем самым силовой трансформатор 11 передает мощность в нагрузку. При этом напряжение на первичной обмотке 10 и полуволна тока первичной обмотки, если их отображать векторами, направлены навстречу друг другу, т.е. первичная обмотка выступает в роли приемника энергии.
Увеличение длительности и амплитуды прямоугольных импульсов напряжения на входе двухполюсника, а также уменьшение уровня выходного напряжения, до которого заряжен конденсатор 17 выходного фильтра, вызывают увеличение амплитуды знакопеременного тока, протекающего по элементам резонансной LC-цепи. Соответственно возрастает амплитуда знакопеременного напряжения на конденсаторе 9 этой цепи.
Если режим работы устройства таков, что амплитуда знакопеременного напряжения на вторичной обмотке 21 дополнительного трансформатора меньше, чем напряжение на конденсаторе 17 выходного фильтра, все диоды дополнительного выпрямителя, т.е. диоды 22, 23, 24 и 25, оказываются запертыми. В этом случае по первичной обмотке 21 протекает незначительный ток намагничивания. Он существенно меньше, чем ток резонансной LC-цепи, и поэтому присутствие в схеме дополнительного трансформатора практически не сказывается на электрическом процессе, имеющем колебательный характер, "навязанный" LC-цепью. В ходе этого колебательного процесса энергия от одного реактивного элемента LC-цепи передается другому. Если, например, нарастает абсолютное значение напряжения на конденсаторе 9, т.е. конденсатор запасает энергию, то мгновенное значение тока LC-цепи уменьшается, т.е. дроссель 8, по обмотке которого ток протекает, отдает ранее запасенную энергию. Когда ток обмотки дросселя 8 снизится до нуля, конденсатор 9 перестанет заряжаться этим током и напряжение на конденсаторе достигает амплитудного значения. Затем ток LC-цепи меняет направление. Этим током конденсатор 9 разряжается и модуль напряжения данного знака на нем начинает уменьшаться, а ток LC-цепи, поменявший направление, наоборот, возрастает. Конденсатор 9 начинает отдавать накопленную энергию, а в дросселе 8 энергия запасается.
Мгновенное значение напряжения, трансформируемого во вторичную обмотку 21 дополнительного трансформатора 20, и мгновенное значение напряжения на конденсаторе 9 резонансной LC-цепи пропорциональны.
Они связаны коэффициентом трансформации дополнительного трансформатора 20.
Если модуль мгновенного значения знакопеременного напряжения на вторичной обмотке 21 дополнительного трансформатора 20 в ходе его нарастания достигает уровня, при котором отпираются диоды 22 и 25 (при положительной полярности напряжения на обмотке 21) или диоды 23 и 24 (при отрицательной полярности напряжения на обмотке 21), то нарастание этого напряжения прекращается. Оно устанавливается практически равным напряжению на конденсаторе 17 выходного фильтра (превышает напряжение на конденсаторе 17 на величину незначительных по отношению к этому напряжению падений напряжений на диодах в состоянии их прямой проводимости).
Фиксация напряжения на вторичной обмотке 21 дополнительного трансформатора 20 означает также, что фиксируется напряжение на его первичной обмотке 19. Так как она включена параллельно конденсатору 9 резонансной LC-цепи, то перестает изменяться во времени напряжение на конденсаторе и его ток спадает до нуля. При этом ток LC-цепи, перед этим заряжавший конденсатор 9, замыкается через первичную обмотку 19 дополнительного трансформатора. Этот ток трансформируется во вторичную обмотку 21. Током вторичной обмотки 21, который выпрямляется диодами 22, 23, 24 и 25, осуществляется передача энергии в цепь нагрузки.
Таким образом, с помощью отличительных признаков предлагаемого технического решения достигается ограничение амплитуды напряжения на конденсаторе резонансной LC-цепи и, как следствие, ограничение уровня запасаемой энергии в этой цепи.