КВАЗИРЕЗОНАНСНЫЙ МОСТОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Предлагаемое устройство относится к силовой преобразовательной технике и предназначено для преобразования и передачи электрической энергии от источника постоянного тока к приемнику с использованием трансформаторной связи между источником и приемником.
Известен двухтактный преобразователь, принятый в качестве аналога (В.И. Мелешин. Транзисторная преобразовательная техника. М.: Техносфера. 2005, рис. 14.33, стр. 358), который содержит силовые управляемые ключи, соединенные по мостовой схеме и цепь, образованную последовательным соединением первичных обмоток силовых магнитных накопителей энергии.
Известен высокоэффективный преобразователь, связанный с силовыми трансформаторами мягкой коммутацией, принятый в качестве прототипа (патент US 6272023 на изобретение от 15.05.1999 г.), который содержит транзисторную мостовую схему, два основных силовых магнитных накопителя, диодный выпрямитель, шунтирующий конденсатор и последовательную индуктивность.
Недостатком этих устройств является пропорциональная зависимость количества накопленной энергии в индуктивности рассеивания силовых магнитных накопителей от тока, потребляемого в цепи нагрузки, что ограничивает возможность поддержания амплитуды резонансных колебаний при малых значениях тока в цепи нагрузки, достаточной для обеспечения режима перевода силовых управляемых ключей в открытое состояние в области нулевых значений напряжения на них.
Технические результаты полезной модели заключаются в повышении надежности и энергетических показателей преобразователя за счет применения дополнительного магнитного накопителя и использовании режима переключения силовых управляемых ключей в области около нулевых значений напряжения на них во всем диапазоне, потребляемого тока в цепи нагрузки.
Для достижения указанных технических результатов устройство включает в себя транзисторную мостовую схему, первый и второй силовые магнитные накопители, диодный выпрямитель, шунтирующий конденсатор и дополнительный магнитный накопитель. Выходы транзисторной мостовой схемы подключены к первичным обмоткам первого и дополнительного магнитных накопителей. Первый выход транзисторной мостовой схемы соединен с началом первичной обмотки первого силового магнитного накопителя, а второй выход транзисторной мостовой схемы соединен с концом первичной обмотки дополнительного магнитного накопителя. Первичные обмотки магнитных накопителей соединены в последовательную цепь таким образом, что конец первичной обмотки первого силового магнитного накопителя соединен с началом первичной обмотки второго силового магнитного накопителя, конец первичной обмотки второго силового магнитного накопителя соединен с началом первичной обмотки дополнительного магнитного накопителя. Вторичная обмотка дополнительного магнитного накопителя подключена своим началом к первому входу выпрямителя, а концом ко второму входу выпрямителя. При этом первичная обмотка первого силового магнитного накопителя и вторичная обмотка дополнительного магнитного накопителя не связаны магнитно между собой. При этом первичная обмотка второго силового магнитного накопителя и вторичная обмотка дополнительного магнитного накопителя не связаны магнитно между собой.
Полезная модель поясняется структурной схемой, приведенной на фиг. 1.
Квазирезонансный мостовой преобразователь включает:
1 - первый полевой транзистор (первый силовой управляемый ключ);
2 - второй полевой транзистор (второй силовой управляемый ключ);
3 - третий полевой транзистор (третий силовой управляемый ключ);
4 - четвертый полевой транзистор (четвертый силовой управляемый ключ);
5 - положительный вход транзисторной мостовой схемы;
6 - отрицательный вход транзисторной мостовой схемы;
7 - источник питания постоянного напряжения;
8 - выход транзисторной мостовой схемы;
9 - выход транзисторной мостовой схемы;
10 - первичная обмотка первого силового магнитного накопителя;
11 - первичная обмотка второго силового магнитного накопителя;
12 - первичная обмотка дополнительного магнитного накопителя;
13 - вторичная обмотка первого силового магнитного накопителя;
14 - вторичная обмотка второго силового магнитного накопителя;
15 - точка соединения вторичных обмоток силовых магнитных накопителей;
16 - выпрямительные диоды;
17 - выпрямительные диоды;
18 - первый вход диодного выпрямителя;
19 - второй вход диодного выпрямителя;
20 - вторичная обмотка дополнительного магнитного накопителя;
21 - шунтирующий конденсатор;
22 - нагрузка.
Квазирезонансный мостовой преобразователь включает в себя: транзисторную мостовую схему, два основных силовых магнитных накопителя, дополнительный магнитный накопитель, диодный выпрямитель и шунтирующий конденсатор.
Транзисторная мостовая схема состоит из четырех полевых транзисторов 1, 2, 3, 4 соединенных по мостовой схеме. Входы транзисторной мостовой схемы через положительный вход 5 и отрицательный вход 6 подключены к источнику питания постоянного напряжения 7 и являются входами устройства. Выходы транзисторной мостовой схемы 8 и 9 подключены к первичным обмоткам магнитных накопителей 10 и 11. Выход транзисторной мостовой схемы 8 соединен с началом первичной обмотки первого силового магнитного накопителя 10, выход транзисторной мостовой схемы 9 соединен с концом первичной обмотки дополнительного магнитного накопителя 12. Первичные обмотки магнитных накопителей 10, 11, 12 соединены в последовательную цепь таким образом, что конец первичной обмотки первого силового магнитного накопителя 10 соединен с началом первичной обмотки второго силового магнитного накопителя 121, а конец первичной обмотки второго силового магнитного накопителя 11 соединен с началом первичной обмотки дополнительного магнитного накопителя 12.
Каждый из магнитных накопителей включает в себя две магнитно-связанные обмотки. Передача энергии от источника к приемнику происходит непосредственно через силовые магнитные накопители за счет наличия магнитной связи между обмотками накопителей, при этом между накопителями магнитная связь отсутствует. Вторичные обмотки силовых магнитных накопителей 13 и 14 соединены между собой последовательно, при этом точка их соединения 15 подключена к отрицательному полюсу цепи нагрузки, а начало вторичной обмотки первого силового магнитного накопителя 13 и конец вторичной обмотки второго силового магнитного накопителя 14 подключены к первому и второму входам диодного выпрямителя соответственно.
Диодный выпрямитель выполнен по двухполупериодной схеме с общим катодом. Точка соединения катодов выпрямительных диодов 16 и 17 является выходом выпрямителя и подключена к положительному полюсу цепи нагрузки. Аноды выпрямительных диодов 16 и 17 являются первым 18 и вторым 19 входами выпрямителя соответственно.
Режим переключения силовых управляемых ключей 1, 2, 3, 4 при около нулевом напряжении обеспечивается дополнительным магнитным накопителем, вторичная обмотка 20 которого подключена своим началом к первому входу выпрямителя, концом ко второму входу выпрямителя.
Для сглаживания переменной составляющей выходного напряжения установлен шунтирующий конденсатор 21.
В предлагаемом устройстве силовые управляемые ключи изображены в виде полевых транзисторов. Эти полупроводниковые приборы характеризуются управляемой проводимостью при протекании прямых токов, высокой, постоянной проводимостью для обратных токов, и наличием «паразитной» емкости между стоком и истоком.
Первый полевой транзистор 1 и четвертый полевой транзистор 4 первой пары противолежащих плеч транзисторной мостовой схемы под действием сигналов, формируемых устройством управления, переводятся в состояние высокой проводимости во время нечетных импульсов (1-й, 3-й, 5-й…)
Второй полевой транзистор 2 и третий полевой транзистор 3 второй пары противолежащих плеч транзисторной мостовой схемы под действием сигналов, формируемых устройством управления, переводятся в состояние высокой проводимости во время четных импульсов (2-й, 4-й, 6-й…)
Первый полевой транзистор 1 и третий полевой транзистор 3 верхней пары транзисторной мостовой схемы под действием сигналов, формируемых устройством управления, переводятся в состояние высокой проводимости во время нечетных пауз (1-я, 3-я, 5-я…)
Второй полевой транзистор 2 и четвертый полевой транзистор 4 нижней пары транзисторной мостовой схемы под действием сигналов, формируемых устройством управления, переводятся в состояние высокой проводимости во время четных пауз (2-я, 3-я, 6-я…)
Устройством управления обеспечивается «технологическая» задержка появления сигнала управления на одном из полевых транзисторов противолежащих плеч, формируемых в каждом такте, по отношению к сигналу, формируемому на одном из полевых транзисторов горизонтальных пар.
Окончанием импульса, в интервале которого происходит переда энергии от источника в нагрузку 22, является снятие сигнала формируемого устройством управления с одного из полевых транзисторов противолежащего плеча, находящихся на тот момент в состоянии высокой проводимости.
В интервале нечетного импульса по сигналу устройства управления первый полевой транзистор 1 и четвертый полевой транзистор 4 первой противолежащей пары мостовой транзисторной схемы находятся в состоянии высокой проводимости, а второй полевой транзистор 2 и третий полевой транзистор 3 находятся в запертом состоянии.
В данном интервале ток, протекающий через первичную обмотку первого силового магнитного накопителя 10, передается в нагрузку 22, через связанную с ней магнитно вторичную обмотку первого силового магнитного накопителя 13, первый вывод которой соединен с анодом выпрямительного диода 16, находящимся в данном интервале в проводящем состоянии, а второй вывод соединен с точкой соединения вторичных обмоток силовых магнитных накопителей 15. Первичная обмотка второго силового магнитного накопителя 11 находится в режиме накопления энергии, так как выпрямительный диод 17 в данном интервале находится в запертом состоянии. К вторичной обмотке дополнительного магнитного накопителя 20, первый вывод которой соединен с первым выводом вторичной обмотки первого силового магнитного накопителя 13, а второй вывод соединен со вторым выводом вторичной обмотки второго силового магнитного накопителя 14, приложено напряжение равное сумме напряжений на вторичных обмотках первого и второго силовых магнитных накопителей 13 и 14. Поскольку сумма этих напряжений в течение интервала импульса остается постоянной, то в индуктивности первичной обмотки дополнительного магнитного накопителя 12 будет происходить линейное нарастание тока.
Окончание нечетного импульса обеспечивается запиранием четвертого полевого транзистора 4, в результате «технологической» задержки в формировании сигналов устройством управления образуется интервал, в течение которого разрывается связь выходной цепи транзисторной мостовой схемы с отрицательным входом транзисторной мостовой схемы 6.
Благодаря энергии, запасенной в индуктивности первичной обмотки дополнительного магнитного накопителя 12, ток к моменту окончания импульса продолжает протекать в том же направлении. Этим током происходит перезаряд выходной емкости третьего полевого транзистора 3 и заряд емкости четвертого полевого транзистора 4 транзисторной мостовой схемы. В интервале перезаряда емкости третьего полевого транзистора 3 происходит линейное повышение потенциала на выходе транзисторной мостовой схемы 9 и, соответственно, равное ему снижение потенциала между стоком и истоком третьего полевого транзистора 3. Когда потенциал между стоком и истоком третьего полевого транзистора 3 достигнет небольшого отрицательного значения, третий полевой транзистор 3 перейдет в состояние инверсной проводимости, допускающее его перевод в открытое состояние при около нулевом потенциале между его стоком, подключенным к положительному входу транзисторной мостовой схемы 5, и истоком, подключенным к выходу транзисторной мостовой схемы 9.
В случае четного импульса второй полевой транзистор 2 и третий полевой транзистор 3 находятся в открытом состоянии, а первый полевой транзистор 1 и четвертый полевой транзистор 4 находятся в запертом состоянии. На протяжении этого интервала выход транзисторной мостовой схемы 9 привязан к положительному входу транзисторной мостовой схемы 5, а выход транзисторной мостовой схемы 8 привязан к отрицательному входу транзисторной мостовой схемы 6.
В данном интервале ток, протекающий через первичную обмотку второго силового магнитного накопителя 11 передается в нагрузку 22, через связанную с ней магнитно вторичную обмотку второго силового магнитного накопителя 14, первый вывод которой соединен с анодом выпрямительного диода 17, находящимся в данном интервале в проводящем состоянии, а второй вывод соединен с точкой соединения вторичных обмоток силовых магнитных накопителей 15. Первичная обмотка первого силового магнитного накопителя 10 находится в режиме накопления энергии, но, в отличие от интервала нечетного импульса, ток в индуктивности первичной обмотки дополнительного магнитного накопителя 12 снижается, меняя свое направления, за счет смены полярности на выходе мостовой транзисторной схемы, достигая к концу интервала значения равного по абсолютной величине току в конце интервала нечетного импульса, но противоположное по направлению.
Окончание четного импульса обеспечивается запиранием третьего полевого транзистора 3, в результате «технологической» задержки в формировании сигналов устройством управления образуется интервал, в течение которого разрывается связь выходной цепи транзисторной мостовой схемы с отрицательным входом транзисторной мостовой схемы 6.
Аналогично процессам в интервале нечетного импульса происходит перезаряд емкостей третьего полевого транзистора 3 и четвертого полевого транзистора 4, при этом потенциал между стоком и истоком четвертого полевого транзистора 4 линейно снижается, а потенциал между стоком и истоком третьего полевого транзистора 3, соответственно, увеличивается. Когда потенциал между стоком и истоком четвертого полевого транзистора 4 достигнет небольшого отрицательного значения, четвертый полевой транзистор 4 перейдет в состояние инверсной проводимости, допускающее его перевод в открытое состояние при около нулевом потенциале между его стоком, подключенным к выходу транзисторной мостовой схемы, и истоком, подключенным к положительному входу транзисторной мостовой схемы 5.
Начало интервала нечетной паузы определяется сигналом, формируемым устройством управления на перевод третьего полевого транзистора 3 в состояние высокой проводимости. В данном интервале первый полевой транзистор 1 и третий полевой транзистор 3 транзисторной мостовой схемы находятся в состоянии высокой проводимости, а второй полевой транзистор 2 и четвертый полевой транзистор 4 находятся в запертом состоянии. При этом суммарное напряжение на первичных обмотках первого силового магнитного накопителя 10 и второго силового магнитного накопителя 11 равно нулю. Следовательно, первичная обмотка дополнительного магнитного накопителя 12 условно замыкается на относительно небольшое сопротивление первого полевого транзистора 1 и третьего полевого транзистора 3, находящихся в состоянии высокой проводимости. Ток в индуктивности первичной обмотки дополнительного магнитного накопителя 12 в течение данного интервала несколько снижается за счет наличия небольшого сопротивления на открытом первом полевом транзисторе 1 и открытом третьем полевом транзисторе 3.
Окончание интервала нечетной паузы определяется снятием сигнала управления с первого полевого транзистора 1. Образуется интервал «технологической» задержки, в течение которого разрывается связь выхода транзисторной мостовой схемы 8 и положительного входа транзисторной мостовой схемы 5. В течение «технологической» задержки, остаточным током в первичной обмотке первого силового магнитного накопителя 10 происходит резонансный перезаряд выходных емкостей первого полевого транзистора 1 и второго полевого транзистора 2. При этом потенциал между стоком первого полевого транзистора 1, привязанного к положительному входу транзисторной мостовой схемы 5, и истоком первого полевого транзистора 1, привязанным к выходу транзисторной мостовой схемы 8, увеличивается. Потенциал между стоком второго полевого транзистора 2, привязанного к выходу транзисторной мостовой схемы 8, и истоком второго полевого транзистора 2, привязанного к отрицательному входу транзисторной мостовой схемы 6, снижается. Когда потенциал между стоком и истоком второго полевого транзистора 2 достигнет небольшого отрицательного значения, второй полевой транзистор 2 перейдет в состояние инверсной проводимости, допускающее его перевод в открытое состояние при около нулевом потенциале между его стоком и истоком.
В случае четной паузы второй полевой транзистор 2 и четвертый полевой транзистор 4 находятся в открытом состоянии, а первый полевой транзистор 1 и третий полевой транзистор 3 находятся в запертом состоянии. При этом суммарное напряжение на первичных обмотках первого силового магнитного накопителя 10 и второго силового магнитного накопителя 11 равно нулю. Следовательно, первичная обмотка дополнительного магнитного накопителя 12, как и в интервале нечетной паузы, условно замыкается на относительно небольшое сопротивление второго полевого транзистора 2 и четвертого полевого транзистора 4, находящихся в состоянии высокой проводимости. Ток в индуктивности первичной обмотки дополнительного магнитного накопителя 12 в течение данного интервала несколько снижается за счет наличия небольшого сопротивления на открытом первом полевом транзисторе 1 и открытом третьем полевом транзисторе 3.
Окончание интервала четной паузы определяется снятием сигнала управления со второго полевого транзистора 2. Образуется интервал «технологической» задержки, в течение которого разрывается связь выхода транзисторной мостовой схемы 8 и отрицательного входа транзисторной мостовой схемы 6. В течение «технологической» задержки, остаточным током в индуктивности первичной обмотки дополнительного магнитного накопителя 12 происходит резонансный перезаряд выходных емкостей первого полевого транзистора 1 и второго полевого транзистора 2. При этом потенциал между стоком первого полевого транзистора 1, привязанного к положительному входу транзисторной мостовой схемы 5, и истоком первого полевого транзистора 1, привязанным к выходу транзисторной мостовой схемы 8, снижается. Потенциал между стоком второго полевого транзистора 2, привязанного к выходу транзисторной мостовой схемы 8, и истоком второго полевого транзистора 2, привязанного к отрицательному входу транзисторной мостовой схемы 6, увеличивается. Когда потенциал между стоком и истоком первого полевого транзистора 1 достигнет небольшого отрицательного значения, первый полевой транзистор 1 перейдет в состояние инверсной проводимости, допускающее его перевод в открытое состояние при около нулевом потенциале между его стоком и истоком.
Поле открытия первого полевого транзистора 1 начинается следующий интервал нечетного импульса.
Из-за малой продолжительности процесса перезаряда выходных емкостей транзисторов можно считать, что в интервале «технологической» задержки не происходит существенного изменения состояния магнитных накопителей.
Начальное состояние для нового такта состояние элементов схемы характеризуется тем, что ток, протекающий по первичным обмоткам магнитных накопителей 10, 11, 12, направлен от выхода транзисторной мостовой схемы 8 к выходу транзисторной мостовой схемы 9. Величина этого тока в начале нового такта практически не претерпевает изменений по отношению к моменту завершения предыдущего такта. Полярность напряжения на первичной обмотке первого силового магнитного накопителя 10: «плюс» - на ее начале, «минус» на ее конце. В силу согласного включения, такая же полярность и на первичных обмотках второго и дополнительного магнитных накопителей 11 и 12 соответственно. Из-за наличия магнитной связи между первичной и вторичной обмотками первого силового магнитного накопителя 10 и 13 такая же полярность и на вторичной обмотке первого силового магнитного накопителя 13. Это означает, что по вторичной обмотке первого силового магнитного накопителя 13 продолжает протекать ток. Вторичная обмотка первого силового магнитного накопителя, через выпрямительный диод 16, оказывается подключенной к шунтирующему конденсатору 21.
Изменение тока, протекающего в интервале импульса в индуктивности вторичной обмотки дополнительного магнитного накопителя 20, определяется как отношение интегрированного по времени мгновенного значения напряжения на вторичной обмотке дополнительного магнитного накопителя 20 к ее индуктивности. В силу симметричности работы преобразователя амплитуда этого тока равняется половине ее изменения за интервал импульса.
Величина напряжения на концах вторичной обмотки первого силового магнитного накопителя 13 в интервале импульса равна напряжению на нагрузке 22. Величина напряжения на концах вторичной обмотки второго силового магнитного накопителя 14 равна разности напряжений вторичных обмоток дополнительного и первого магнитных накопителей 20 и 13, равная напряжению на нагрузке 22.
Длительность «технологической» задержки, следующей за завершением интервала нечетного импульса, устанавливается так, чтобы сигнал открытия третьего полевого транзистора 3 происходил до завершения протекания инверсного тока через него. По истечении данного интервала времени третий полевой транзистор 3 перейдет в режим инверсной проводимости, допускающей его открытие при около нулевом потенциале между его стоком и истоком. Инверсный ток замыкается по контуру в соответствии с направлением обхода контура током: обмотка первого силового магнитного накопителя 10, обмотка второго силового магнитного накопителя 11, обмотка дополнительного магнитного накопителя 12, третий полевой транзистор 3, первый полевой транзистор 1. Заряд выходной емкости четвертого полевого транзистора 4 осуществляется током, который замыкается по следующему контуру: обмотка первого силового магнитного накопителя 10, обмотка второго силового магнитного накопителя 11, обмотка дополнительного магнитного накопителя 12, четвертый полевой транзистор 4, источник питания постоянного напряжения 7, первый полевой транзистор 1.
Аналогичные процессы происходят в интервале «технологической» задержки по завершению четного импульса. В данном интервале в состоянии инверсной проводимости находится четвертый полевой транзистор 4, инверсный ток замыкается по контуру: обмотка дополнительного магнитного накопителя 12, обмотка второго силового магнитного накопителя 11, обмотка первого силового магнитного накопителя 10, второй полевой транзистор 2, четвертый полевой транзистор 4. Заряд выходной емкости третьего полевого транзистора 3 осуществляется током, который замыкается по следующему контуру: обмотка дополнительного магнитного накопителя 12, обмотка второго силового магнитного накопителя 11, обмотка первого силового магнитного накопителя 10, третий полевой транзистор 3, источник питания постоянного напряжения 7, второй полевой транзистор 2.
В интервале «технологической» задержки, следующей за интервалом нечетной паузы, происходит резонансный процесс перезаряда выходных емкостей первого полевого транзистора 1 и второго полевого транзистора 2. При этом потенциал между стоком и истоком первого полевого транзистора 1 увеличивается, а между стоком и истоком второго полевого транзистора 2 снижается.
Ток, которым происходит перезаряд выходных емкостей первого полевого транзистора 1 и второго полевого транзистора 2, является разностью токов в индуктивности первичной обмотки дополнительного магнитного накопителя 12 и вторичной обмотки дополнительного магнитного накопителя 20.
По завершению интервала времени перезаряда выходных емкостей первого полевого транзистора 1 и второго полевого транзистора 2, второй полевой транзистор 2 перейдет в инверсное состояние и может быть открыт при около нулевом потенциале между его стоком и истоком.
В интервале «технологической» задержки следующей за интервалом четной паузы процесс перезаряда выходных емкостей транзисторов происходит аналогичным образом, но в этом случае потенциал между стоком и истоком второго полевого транзистора 2 увеличивается, а между стоком и истоком первого полевого транзистора 1 снижается.
Таким образом, использование предложенного технического решения для преобразования и передачи электрической энергии от источника постоянного тока к приемнику за счет применения дополнительного магнитного накопителя и использовании режима переключения силовых управляемых ключей в области около нулевых значений напряжения на них во всем диапазоне, потребляемого тока в цепи нагрузки, позволяет повысить надежность и энергетические показатели преобразователя.