Двухтактный резонансный DC-DC преобразователь
TWO-CYCLE RESONANCE DC-DC 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 двухтактный преобразователь напряжения резонансного типа (патент РФ №2455746 «Двухтактный мостовой преобразователь» по заявке №2010118703 от 12.05.2010. Опубликовано 10.07.2012. Автор: Глебов Б.А. Патентообладатель: ЗАО «Связьинжиниринг» (RU)). В известном устройстве содержатся:
- Электрическая цепь в виде первой и второй ветвей, каждая из которых включена между шинами питания и образована двумя соединенными последовательно силовыми ключами с управляемой прямой проводимостью и неуправляемой инверсной проводимостью (например, полевыми транзисторами). Электрическая цепь, кроме того, содержит также первый и второй дроссели, и один вывод обмотки первого из указанных дросселей подключен к точке соединения силовых ключей первой ветви, а один вывод обмотки второго из дросселей подключен к точке соединения силовых ключей второй ветви.
- Первая первичная обмотка, магнитно связанная с вторичной обмоткой, подключенной через соответствующий выпрямитель к конденсатору выходного фильтра, параллельно которому включена нагрузка постоянного тока, и вторая первичная обмотка, магнитно связанная с вторичной обмоткой, подключенной через соответствующий выпрямитель к конденсатору выходного фильтра, параллельно которому включена нагрузка постоянного тока.
- Конденсатор и четыре диода: первый, второй, третий и четвертый.
При этом первая первичная обмотка, упомянутый конденсатор и вторая первичная обмотка, образуют трехзвенную последовательную электрическую цепь. В ней первая и вторая первичные обмотки силового трансформатора включены согласно. Первый вывод конденсатора связан с первой и второй шинами питания соответственно через первый и второй диоды, а второй вывод конденсатора связан с первой и второй шинами питания соответственно через третий и четвертый диоды.
К первому выводу трехзвенной последовательной электрической цепи подключен второй вывод обмотки первого дросселя, а ко второму выводу трехзвенной последовательной электрической цепи подключен второй вывод обмотки второго дросселя.
В первом варианте известного устройства первичные обмотки, связанные магнитно с вторичной обмоткой, подключенной к нагрузке, объединены общим магнитопроводом, на котором размещена эта вторичная обмотка, и все перечисленные обмотки вместе с магнитопроводом образуют единый трансформатор.
В другом варианте известного устройства каждой первичной обмотке и вторичной обмотке, связанной с ней магнитно, соответствует отдельный магнитопровод, который вместе с размещенными на нем обмотками образуют отдельный трансформатор.
Недостатком известного устройства является то, что в каждом цикле работы в режиме передачи максимальной мощности конденсатор резонансной LC-цепи заряжается до полного напряжения питания. Это означает передачу в этот конденсатор энергии, которая могла бы быть передана в цепь нагрузки. Тем самым снижается эффективность преобразования электрической энергии.
Целью предлагаемых технических решений является повышение эффективность преобразования электрической энергии.
Поставленная цель достигается тем, что в двухтактный резонансный DC/DC-преобразователь введены дополнительный трансформатор и дополнительный выпрямитель. При этом первичная обмотка дополнительного трансформатора включена параллельно упомянутому конденсатору резонансной LC-цепи, а вторичная обмотка через дополнительный выпрямитель подключена к конденсатору выходного фильтра.
В первом варианте предлагаемого устройства, изображенном на фиг. 1, к шинам питания 1 и 2 (положительной и отрицательной) подключен источник питания 3. Между этими шинами включена первая электрическая цепь в виде двух ветвей. Одна из них образована двумя соединенными последовательно силовыми ключами 4 и 5, другая - соединенными последовательно силовыми ключами 6 и 7. В первой электрической цепи присутствуют два дросселя 8 и 9 с одинаковой индуктивностью обмоток. Условие иметь строгое равенство не является обязательным. Однако для упрощения описания физических процессов считается, что индуктивности равны.
Силовые ключи 4, 5, 6 и 7 обладают управляемой прямой проводимостью и неуправляемой инверсной проводимостью. В дальнейшем силовые ключи с такими свойствами на чертежах, относящихся к разным вариантам выполнения предлагаемого устройства, изображены в виде полевых транзисторов. Этот класс полупроводниковых приборов характеризуются управляемой проводимостью для токов прямого направления и постоянно присутствующей высокой проводимостью для токов инверсного направления. Управление прямой проводимостью обеспечивается сигналами, задаваемыми во входные цепи полевых транзисторов.
Независимо от реального вида применяемых в предлагаемом устройстве силовых ключей, обязательным условием является подобие их свойств указанным выше свойствам полевых транзисторов. Далее в описании с целью сокращения термин «силовой ключ с управляемой прямой проводимостью и неуправляемой инверсной проводимостью» замещается термином «силовой транзистор».
Силовой трансформатор 10 устройства, изображенного на фиг. 1, выполнен с первой и второй первичными обмотками 11 и 12. Обмотки обладают одинаковыми числами витков и гальванически отделены одна от другой. Можно считать, что первичная обмотка силового трансформатора 10 обладает числом витков, которое равно сумме чисел витков обмоток 11 и 12.
В устройстве на фиг. 1 сформирована трехзвенная последовательная электрическая цепь, которая образована первой первичной обмоткой 11 упомянутого силового трансформатора 10 (первое звено), конденсатором 13 (второе звено), и второй первичной обмоткой 12 (третье звено). Эти элементы соединены последовательно, причем первичные обмотки 11 и 12 включены согласно. Первичные обмотки 11 и 12 в сумме составляют полную первичную обмотку силового трансформатора 10.
Второй вывод обмотки дросселя 8 непосредственно соединен с первым выводом указанной последовательной электрической цепи (с началом первой первичной обмотки 11 силового трансформатора 10), а второй вывод обмотки дросселя 9 непосредственно соединен со вторым выводом этой цепи (с концом второй первичной обмотки 12 силового трансформатора 10).
Первый вывод конденсатора 13 подключен к шинам питания 1 и 2 через диоды 14 и 15, а второй вывод этого конденсатора - через диоды 16 и 17.
Вторичная обмотка 18 силового трансформатора 10 через выпрямитель 19 подключена к конденсатору 20 выходного фильтра, параллельно которому включена нагрузка постоянного тока 21.
Предлагаемое устройство отличается от устройства-прототипа тем, что в него введен дополнительный трансформатор 22 с первичной и вторичной обмотками 23 и 24, а также дополнительный выпрямитель 25. Первичная обмотка 23 включена параллельно конденсатору 13 резонансной LC-цепи, а вторичная обмотка 24 через дополнительный выпрямитель 25 подключена к конденсатору 20 выходного фильтра.
Принцип регулирования потока энергии, передаваемой от источника питания 3 в нагрузку 21, основан на использовании колебательного характера электрических процессов, возникающих при работе устройства и обусловленных присутствием в нем элементов LC-цепи. Элементы LC-цепи включают в себя:
- индуктивность обмотки дросселя 8, которая подключена к первому выводу упомянутой трехзвенной последовательной электрической цепи (к началу первой первичной обмотки 11 первого силового трансформатора 10);
- конденсатор 13;
- индуктивность обмотки дросселя 9, которая подключена ко второму выводу упомянутой трехзвенной последовательной электрической цепи (к концу второй первичной обмотки 12 первого силового трансформатора 10).
A
B
С
D
Известен способ управления силовыми транзисторами мостовой схемы, получивший название "фазовое управление" ("phase-shift pulse wight modulation" - "phase-shift PWM", англ.). Способ состоит в том, что первый и второй транзисторы, соединенные в мостовой схеме последовательно, управляются парафазными импульсными сигналами первой их последовательности (U, U на фиг. 2). Третий и четвертый транзисторы, также соединенные в мостовой схеме последовательно, управляются парафазными импульсными сигналами второй их последовательности (U, U на фиг. 2). При этом вторая последовательность парафазных импульсных сигналов сдвинута относительно первой последовательности на регулируемое время. Изменением времени сдвига между импульсными последовательностями обеспечивается регулирование величины выходного напряжения. Применительно к мостовой резонансной схеме способ фазового управления описан в патенте РФ №2572002.
Устройством управления обеспечивается «технологическая» задержка появления сигналов, формируемых в каждом данном такте, по отношению к завершению сигналов управления, сформированных в предшествующем такте.
Окончанием сигналов обеспечивается запирание силовых транзисторов, которые в предыдущем такте были в состоянии высокой проводимости. Из-за «технологической» задержки появления сигналов, формируемых в очередном такте, образуется интервал, в течение которого все силовые транзисторы схемы заперты. Соответственно на этом интервале разрывается связь между средними точками соединенных последовательно силовых транзисторов всех ветвей схемы с шинами питания 1 и 2.
Ток LC-цепи, благодаря энергии, запасенной к моменту окончания предыдущего такта в магнитных накопителях (дросселях) LC-цепи, продолжает некоторое время протекать в том же направлении, какое было в момент запирания тех силовых транзисторов, что были в состоянии прямой проводимости в момент непосредственно перед окончанием сигналов управления в предыдущем такте. Этим током перезаряжаются емкости силовых транзисторов.
На интервале перезаряда емкостей силовых транзисторов в течение короткого промежутка времени происходит постепенное понижение потенциала средней точки той ветви электрической цепи на фиг. 1, которая в течение предыдущего такта была «привязана» к высокому потенциалу шины 1. Указанная привязка была осуществлена через силовой транзистор, подключенный к этой шине, который был в состоянии высокой проводимости в предыдущем такте. Например, если предыдущий такт был четным, то высокое значение потенциала в начале интервала перезаряда имеет место на средней точке той ветви, которая была подключена к шине 1 через силовой транзистор 6. Когда понижающийся потенциал средней точки достигнет небольшого отрицательного значения, в состояние инверсной проводимости перейдет силовой транзистор, выходная цепь которого находится между указанной средней точкой и шиной 1. Если предыдущий такт был четным, то в состояние инверсной проводимости перейдет силовой транзистор 7.
Одновременно с рассмотренным процессом перезаряда емкостей силовых транзисторов 6 и 7 в течение короткого промежутка времени происходит постепенное повышение потенциала средней точки той ветви электрической цепи на фиг. 1, которая в течение предыдущего такта была «привязана» к нулевому потенциалу шины 2. Указанная привязка была осуществлена через силовой транзистор, подключенный к этой шине, который был в состоянии высокой проводимости в предыдущем такте. Например, если предыдущий такт был четным, то низкое значение потенциала (близкое к нулю) в начале интервала перезаряда имеет место на средней точки той ветви, которая была подключена к шине 2 через силовой транзистор 5. Когда повышающийся потенциал средней точки незначительно превысит положительный потенциал шины 1, в состояние инверсной проводимости перейдет силовой транзистор, выходная цепь которого находится между указанной средней точкой и шиной 1. Если предыдущий такт был четным, то в состояние инверсной проводимости перейдет силовой транзистор 4.
Процесс перезаряда емкостей силовых транзисторов занимает столь незначительное время в сравнении с периодом работы, что длительностью этого процесса можно пренебречь. Поэтому без существенной погрешности можно считать, что практически сразу за запиранием одной пары силовых транзисторов в каждой из электрических цепей на фиг. 1 в состояние инверсной проводимости переходит другая пара.
re
res
При значениях индуктивностей обмоток дросселей 8 и 9, которые равны Lj2, и значении емкости конденсатора 13, равном C, резонансная частота LC-цепи составляет величину  На этой частоте работает предлагаемое устройство.
Длительность импульсов напряжения на выходе мостовой схемы, т.е. между точками 4 и 7 в схеме на фиг. 1, зависит от значения регулирующего параметра D. Длительность импульсов максимальна и равна половине периода работы устройства при значении D=1. Длительность импульсов сокращается при уменьшении D.
При уменьшении длительности импульсов на выходе транзисторной мостовой схемы снижается амплитуда напряжения на конденсаторе резонансной LC-цепи, а также амплитуда тока, который потребляется от мостовой схемы и передается в первичную обмотку силового трансформатора. Соответственно уменьшается мощность, передаваемая в цепь нагрузки предлагаемого устройства. Сказанное иллюстрируется временными диаграммами, представленными на фиг. 3-6. Диаграммы построены по результатам моделирования электрических процессов в предлагаемой схеме.
Напряжение на конденсаторе 13 резонансной LC-цепи представляется знакопеременной функцией времени, нарастающей и спадающей плавно. Соответственно плавно нарастает напряжение на первичной и вторичной обмотках дополнительного трансформатора 22. Когда нарастающее напряжение вторичной обмотки 24 незначительно превысит уровень, до которого заряжен конденсатор 20 выходного фильтра (на величину падения напряжения на вентильных элементах выпрямителя 25), эти элементы переходят в состояние высокой проводимости. При этом напряжение вторичной обмотки 24 перестает изменяться и фиксируется на уровне, который практически равен напряжению на конденсаторе 20 выходного фильтра. Перестает также изменяться напряжение на первичной обмотке 23 дополнительного трансформатора 22, т.е. напряжение на конденсаторе 13 резонансной LC-цепи. Ток первичной обмотки силового трансформатора 10, который до момента фиксации напряжения на конденсаторе 13 протекал через него, начинает течь по первичной обмотке 23 дополнительного трансформатора 22, и через этот трансформатор в цепь нагрузки поступает мощность. Она является дополнительной по отношению к мощности, передаваемой в цепь нагрузки силовым трансформатором 10.
По отношению к цепи нагрузки (элементы 20 и 21 на фиг. 1) схема DC/DC-преобразователя выступает источником однополярных импульсов тока, нарастающих и спадающих плавно. Амплитуда этих импульсов тока и среднее значение тока, поступающее в нагрузку 21, зависит от величины регулирующего параметра D. На фиг. 7 представлены семейства характеристик регулирования среднего значения выходного тока предлагаемой схемы, построенные по результатам ее моделирования. Кривые семейства даны для ряда значений напряжения на первичной обмотке силового трансформатора 10, представленных в относительных единицах (нормированных) согласно выражению U1n=U1/Ue. В этом выражении: U1 - напряжение, переданное в первичную обмотку силового трансформатора из его вторичной обмотки, Ue - напряжение питания схемы.
Как следует из кривых на фиг. 7, характеристики регулирования выходного тока представляются в виде монотонно нарастающих функций, которые изменяются от нуля и принимают максимальное значение при величине регулирующего параметра D, равном единице. Соответственно условию D=1 при каждом значении U1n отвечает максимум выходной мощности устройства.
Напряжение на конденсаторе 13 резонансной LC-цепи ограничено значением, которое превышает питающее напряжение Ue на величину падений напряжения в прямом направлении на диодах 14, 17 (или 15, 16). Поэтому оказываются принудительно ограниченными максимумы величин выходных напряжения, тока и мощности устройства.
При включении схемы в работу энергия накапливается в элементах резонансной LC-цепи постепенно от такта к такту. Приращение этой энергии за каждый такт зависит от соотношения напряжения на первичной обмотки и напряжения питания, т.е. от напряжения U1n на первичной обмотке, выраженного в относительных единицах. Чем ближе к единице это значение, тем меньше указанное приращение энергии, и, следовательно, тем больше время нарастания выходной мощности до максимального установившегося значения.
На фиг. 8 по результатам моделирования предлагаемого устройства даны зависимости времени достижения его выходной мощностью максимального установившегося значения от напряжения, которое передается в первичную обмотку силового трансформатора 10 из его вторичной обмотки. Время на фиг. 8 дано в относительных единицах (по отношению к длительности периода работы схемы).
Как следует из фиг. 8, время переходного процесса принимает приемлемо низкие значения при выполнении неравенства U1n≤0.9. В дальнейшем предполагается, что это неравенство реализовано в схеме.
На фиг. 9 по результатам моделирования предлагаемого устройства и устройства-прототипа даны зависимости максимума выходной мощности предлагаемой схемы и схемы-прототипа от напряжения, передаваемого в первичную обмотку силового трансформатора из его вторичной обмотки. Как следует из кривых на фиг. 9, оба устройства, предлагаемое и устройство-прототип, обладают свойством параметрической стабилизации мощности, передаваемой в нагрузку, при условии ограниченного диапазона изменения параметра U1n. Однако предлагаемое устройство передает в нагрузку большую мощность и обладает более широким диапазоном параметрической стабилизации мощности (точность параметрической стабилизации, например, ±10%). Соответственно, предлагаемое устройство потребляет от источника питания меньшее значение тока, чем устройство-прототип, что иллюстрируется кривыми, представленными на фиг. 10, построенными по результатам моделирования. Таким образом, достигнута поставленная цель изобретения - повышение эффективности преобразования электрической энергии.
Значения токов, представленные на фиг. 7 и фиг. 10 в относительных единицах, отнесены к нормирующему току In=(Pout_max/Ue), где значение Pout_max соответствует режиму работы, при котором D=1 и U1n→1.
Кривые на фиг. 11 иллюстрируют мощность, передаваемую в нагрузку дополнительным трансформатором, по отношению к полной выходной мощности устройства.
Устройство, представленное на фиг. 12, по построению, принципу действия и достижению поставленной цели аналогично рассмотренному выше, которое изображено на фиг. 1. Оно отличается от него только тем, что передает мощность в нагрузку постоянного тока 21 двумя одинаковыми силовыми трансформаторами 10-1 и 10-2. Первичная обмотка 11 силового трансформатора 10-1 образует первое звено трехзвенной последовательной электрической цепи, конденсатор 13 - второе звено, а первичная обмотка 12 силового трансформатора 10-2 образует третье звено этой цепи. В трехзвенной последовательной электрической цепи первичные обмотки 11 и 12 включены согласно.
Вторичная обмотка 18-1 трансформатора 10-1 подключена к конденсатору 20 выходного фильтра через выпрямитель 19-1, а вторичная обмотка 18-2 трансформатора 10-2 подключена к этому конденсатору через выпрямитель 19-2.
Вид вторичных обмоток трансформаторов (однофазные или двухфазные), а также конструкция выпрямителей (мостовая схема или схема с двумя вентильными элементами и, кроме того, вид применяемых вентильных элементов) не являются существенными признаками предлагаемого устройства. На всех чертежах вторичные обмотки обозначены как однофазные. Им соответствуют мостовые схемы выпрямителей.