ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
CONSTANT VOLTAGE CONVERTER

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам преобразования постоянного напряжения с применением статических ключей на управляемых полупроводниковых приборах, например транзисторах, и может быть использовано, например, в сетевых источниках вторичного электропитания.
Известен преобразователь постоянного напряжения, содержащий два управляемых в противофазе однотактных мостовых инвертора с общими для инверторов источником питания и нагрузкой [1].
Недостаток известного преобразователя постоянного напряжения - большие масса, габариты и стоимость - обусловлен необходимостью в преобразователе двух силовых трансформаторов с первичной и вторичной обмотками каждый и перемагничиванием их магнитопроводов по частным циклам с меньшим допустимым изменением индукции. Второй недостаток преобразователя - большие потери мощности в ключах - обусловлен включением и закрыванием ключей при высоком напряжении на них, равном напряжению источника питания.
Известен преобразователь постоянного напряжения, содержащий два управляемых в противофазе однотактных мостовых инвертора с общими для инверторов источником питания, нагрузкой, формирующим конденсатором, соединенным с двумя разделительными диодами, причем каждый инвертор содержит коммутатор первичной обмотки силового трансформатора и обратные диоды, соединенные одним из выводов с шинами общего источника питания [2].
Недостатки известного преобразователя постоянного напряжения - большие масса, объем, стоимость, технологическая сложность изготовления - обусловлены необходимостью двух силовых трансформаторов с большим числом обмоток и витков в них и дополнительных конденсаторов.
Наиболее близким к предлагаемому преобразователю постоянного напряжения является преобразователь, содержащий два однотактных мостовых инвертора с общими для инверторов источником питания постоянным напряжением, нагрузкой и формирующим конденсатором, соединенным первым выводом с разноименными первыми выводами двух разделительных диодов, причем каждый инвертор содержит коммутатор на двух управляемых ключах, включенных между шинами общего источника питания последовательно между собой и первичной обмоткой силового трансформатора, включенной между упомянутыми ключами, а также - два обратных диода, включенных каждый между соответствующим выводом первичной обмотки и одной из шин общего источника питания, с направлением проводимости, совпадающим с направлением реактивного тока упомянутой первичной обмотки, возникающего при закрывании соединенных с ней ключей [3].
Первый недостаток ближайшего аналогичного преобразователя постоянного напряжения - большие масса, габариты и стоимость - обусловлен необходимостью в нем двух силовых трансформаторов, каждый из которых содержит первичную и вторичную обмотки и магнитопровод, перемагничивающийся по частотному циклу с допустимой величиной изменения индукции в два раза меньше, чем в предлагаемом преобразователе. Второй недостаток аналогичного преобразователя - повышенные динамические потери мощности при закрывании ключей в инверторах - обусловлен более высоким мгновенным значением напряжения на ключах при их закрывании.
Анализ указанных выше признаков аналогичных преобразователей, общих с новыми признаками предлагаемого преобразователя, выявил возможность получения положительного технико-экономического эффекта от их реализации и наличия изобретательского уровня в исполнении предлагаемого преобразователя.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение массы, габаритов, стоимости и потерь мощности при закрывании ключей в инверторах преобразователя постоянного напряжения.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в преобразователе постоянного напряжения, содержащем два однотактных мостовых инвертора с общими для инверторов источником питания постоянным напряжением, нагрузкой и формирующим конденсатором, соединенным первым выводом с разноименными первыми выводами двух разделительных диодов, причем каждый инвертор содержит коммутатор на двух управляемых статических ключах, включенных между шинами общего источника питания последовательно между собой и первичной обмоткой силового трансформатора, включенной между упомянутыми ключами, а также - два обратных диода, включенных каждый между одним из выводов первичной обмотки и одной из шин источника питания с направлением проводимости, совпадающим с направлением реактивного тока первичной обмотки, соединенной с данными диодами, возникающего в момент закрывания соединенных с обмоткой ключей, предложены новые признаки: упомянутые первичные обмотки выполнены на общем магнитопроводе и включены между собой встречно, второй вывод формирующего конденсатора соединен непосредственно с первыми одноименными выводами первичных обмоток, а вторые выводы разделительных диодов соединены каждый со вторым выводом соответствующей первичной обмотки силового трансформатора.
На чертеже представлена принципиальная электрическая схема предлагаемого преобразователя постоянного напряжения.
Преобразователь постоянного напряжения содержит шины 1, 2 для подключения общего источника питания 3 постоянным напряжением, шунтирующий конденсатор 4 для приема реактивной энергии первичных обмоток, однотактные мостовые инверторы 5, 6, содержащие каждый включенные между шинами питания 1, 2 коммутаторы, соответственно, на управляемых статических ключах 7, 8 и 9, 10, включенные между ключами первичные обмотки, соответственно, 11, 12, выполненные на общем магнитопроводе 13 со вторичной обмоткой 14, подключенной, например, через выпрямительно-фильтрующий блок 15 к общей для инверторов 5, 6 нагрузке 16, обратные диоды: 17, 18 в инверторе 5 и 19, 20 в инверторе 6, формирующий конденсатор 21, разделительные диоды 22, 23.
Ключи 7, 8 инвертора 5 и ключи 9, 10 инвертора 6 включены с направлением проводимости, совпадающим с направлением рабочего тока от шины 1 к шине 2 через включенные между ключами 7, 8 и 9, 10 обмотки, соответственно, 11 и 12, включенные встречно по отношению друг к другу. Обратные диоды 17, 18 инвертора 5 включены каждый между соответствующей из шин 1, 2 и одним из выводов первичной обмотки 11 с направлением проводимости, совпадающим с направлением реактивного тока обмотки 11, протекающим при закрывании ключей 7, 8 через диоды 17, 18 и конденсатор 4, встречно напряжению источника питания 3. Аналогично, обратные диоды 19, 20 инвертора 6 включены каждый между соответствующей из шин 1, 2 и соответствующим выводом первичной обмотки 12 с направлением проводимости каждого диода, совпадающим с направлением реактивного тока обмотки 12, протекающим при закрывании ключей 9, 10 через диоды 19, 20 и конденсатор 4.
Первый вывод формирующего конденсатора 21 соединен с разноименными выводами разделительных диодов 22, 23. Второй вывод формирующего конденсатора 21 соединен с первыми одноименными выводами первичных обмоток 11, 12, вторые выводы каждой из которых соединены с соответствующим вторым выводом одного из разделительных диодов 22, 23. Вторичная обмотка 14 магнитопровода 13 соединена с нагрузкой 16, например, через выпрямительно-фильтрующее устройство 15, которое может быть реализовано по известным схемам [4]. Статические управляемые ключи 7, 8 и 9, 10 также могут быть выполнены по известным схемам [5].
Преобразователь постоянного напряжения в квазиустановившемся режиме работает следующим образом. Ключи 7, 8 инвертора 5 управляются от внешнего устройства управления (на чертеже не показан) синхронно. Ключи 9, 10 инвертора 6 между собой также управляются синхронно, но относительно ключей 7, 8 ключи 9, 10 управляются в противофазе с периодом коммутации и временем открытого состояния, как у ключей 7, 8. Обозначим амплитуду напряжения на элементе с номером i на чертеже как Ui.
11
4
7
8
4
21
12
11
4
зар
зап
зaп
зaп
21
11
4
7
8
4
21
4
21
12
11
4
11
4
21
9
10
4
21
4
-6
Примем за исходное время момент начала включения ключей 7, 8 инвертора 5. При этом к обмотке 11 приложено напряжение U≈U (полярность указана на схеме преобразователя постоянного напряжения без скобок). Падение напряжения на ключах 7, 8 не учитываем, т.к. обычно U+U<<U. Напряжение на обмотке 12 заряжает конденсатор 21 до U=U=U=U за время t≈(3÷5)·t, t - продолжительность закрывания ключа, например транзисторного, можно принять t=(0,3÷0,6)·10 с. За время открытого состояния ключей 7, 8 энергия источника питания 3, подключенного к шинам питания 1, 2, передается через обмотки 11, 14 и выпрямительно-фильтрующий блок 15 в нагрузку 16. Напряжения U и U направлены встречно друг другу и напряжению U, поэтому во время закрывания ключей 7, 8 к каждому из них приложено напряжение U≈U=U-U<<U. С момента начала закрывания ключей 7, 8 ток через ключи 7, 8 и обмотку 11 начинает снижаться за счет повышения сопротивления ключей 7, 8, при этом ЭДС обмотки 11 меняет полярность и начинается перезаряд конденсатора 21 через диод 22. Длительность перезаряда задают выбором величины емкости конденсатора 21, ток перезаряда ограничен индуктивностью рассеивания обмотки. После перезаряда конденсатора 21 полярность напряжений на конденсаторе 21 и обмотках 11, 12 указана в скобках, а амплитуды напряжений при этом равны U=U=U=U, т.к. после перезаряда конденсатора 21 напряжение обмотки 11 U открывает диоды 17, 18 и ограничивается напряжением U, обеспечивая рекуперацию реактивной энергии из обмотки 11 в конденсатор 4. Напряжение конденсатора 21 U с полярностью "в скобках" через диод 23 приложено к обмотке 12, обуславливая включение ключей 9, 10 при пониженных напряжениях U≈U=U-U<<U, что обеспечивает снижение потерь мощности в ключах 9, 10 при их включении. На этапе включенного состояния ключей 9, 10 магнитодвижущая сила обмотки 12 направлена встречно магнитодвижущей силе обмотки 11, возникающей при открытых ключах 7, 8, что обеспечивает перемагничивание магнитопровода 13 по симметричному циклу петли гистерезиса.
Таким образом, предложенное исполнение первичных обмоток 11, 12 позволило в 2 раза повысить допустимое изменение индукции в магнитопроводе 13, что позволяет уменьшить в 2 раза число витков в первичных обмотках и количество силовых трансформаторов в предлагаемом преобразователе постоянного напряжения по сравнению с ближайшим аналогичным преобразователем, т.е. обеспечивает снижение массы, габаритов, себестоимости преобразователя и повышает его надежность.
12
11
4
21
9
10
4
21
4
21
4
9
10
4
21
12
4
11
21
11
4
4
8
9
4
21
4
21
4
З
u
u
На всем этапе включенного состояния ключей 9, 10 U=U=U=U с полярностью, указанной на схеме преобразователя в скобках, поэтому закрывание ключей 9, 10 будет происходить при напряжениях U≈U=U-U<<U, т.к. с началом закрывания ключей реактивная ЭДС обмотки 12 (полярность без скобок) начинает перезаряжать конденсатор 21 через диод 23. Выбором величины емкости конденсатора 21 задают изменение напряжения U<<U, чтобы обеспечить напряжение на ключах 9, 10 U=U<<U. После перезаряда конденсатора 21 напряжение на нем равно U=U=U=U с полярностью, указанной на схеме без скобок. Поскольку U=U=U и направлено встречно U, то очередное включение ключей 7, 8 будет происходить при низких напряжениях U=U=U-U<<U. Таким образом, предложенные связи разделительных диодов 22, 23, формирующего конденсатора 21 и обмоток 11, 12 обеспечивают коммутацию ключей 7, 8 и 9, 10 при более низких напряжениях за счет заряда конденсатора 21 до напряжения U = U. В известном аналогичном преобразователе заряд формирующего конденсатора производится на этапе закрытого состояния ключей инверторов, при этом обратное напряжение на первичных обмотках снижается, особенно, при пониженных значениях коэффициента заполнения управляющего ключом сигнала K=t/T<0,3, где t - время открытого состояния ключей; T - период коммутации ключей.
Таким образом, единство новых признаков - исполнения первичных обмоток и их связей в преобразователе постоянного напряжения - обеспечивает снижение динамических потерь мощности при включении и закрывании ключей инверторов за счет обеспечения заряда формирующего конденсатора до напряжения, более близкого к напряжению источника питания, чем в аналогичном преобразователе, что, в свою очередь, позволяет снизить напряжения на ключах в моменты их коммутации. Одновременно, предложенное исполнение первичных обмоток и их связи обеспечивают снижение потерь мощности при использовании лишь одного силового трансформатора с возможностью повышения в два раза допустимого изменения индукции в его в магнитопроводе и выполнения его без зазора или с меньшей длиной зазора, что позволяет более чем в два раза уменьшить число витков в обмотках силового трансформатора, снизить массу, габариты, себестоимость преобразователя и повысить его надежность. Дополнительно можно указать, что предложенный преобразователь постоянного напряжения существенно расширяет возможность применения в преобразователях полевых и биполярных транзисторов с малыми допустимыми значениями мгновенной коммутируемой мощности 50÷150 вольтампер и позволяет повысить выходную мощность при применении транзисторов с большими допустимыми значениями мгновенной коммутируемой мощности, например, транзисторов IGBT типа.
Источники информации
1. Ханин Ц.И., Шалашова Л.М. и др. Эксплуатация электроустановок предприятий связи. М.: Радио и связь, 1994. Стр.110, рис. 4.43. Стр.113, рис.4.45.
2. А.С №1379907, H02M 3/337, опуб. 07.03.1988.
3. Прототип - Пат. РФ №2196382, H02M 7/537, опубл. 10.01.2003.
4. Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. М.: Техносфера, 2006. Стр.191, рис.10.1,а,б. Стр.471, рис.20.7.