Двунаправленный преобразователь напряжения

Полезная модель относится к области электротехники и может быть применена для преобразования входной энергии постоянного или переменного тока в выходную энергию требуемого вида. Полезная модель может быть применена, например, в системах зарядки электромобилей.
Из уровня техники известны схемы выполнения двунаправленных преобразователей напряжения, содержащие инвертер и DC-DC-конвертер, расположенные в едином корпусе. Однако, этим аналогам присущ недостаток, заключающийся в низком КПД, обусловленном применением 6-ключевой топологии, приводящей к высоким искажениям потребляемого тока, большим высокочастотным помехам при переключении силовых транзисторов, большие индуктивности силовых дросселей, большему количеству полупроводниковых ключей и более высокой сложностью алгоритма управления.
Технический результат заявленного технического решения заключается в повышении КПД двунаправленного преобразователя напряжения.
Технический результат достигается двунаправленным преобразователем напряжения, состоящим из последовательно соединенных импульсных преобразователей: корректора мощности - инвертера (AC/DC) и DC-DC-преобразователя, расположенных в едином корпусе, при этом каждый преобразователь выполнен таким образом, что содержит силовую часть и вспомогательные модули, кроме того, каскады преобразователей связаны между собой по шине CAN, AC/DC-каскад выполнен трехуровневым Т-образным с замыканием на среднюю точку, DC/DC-каскад выполнен по резонансной топологии CLLLC с двумя активными мостами.
Двунаправленный преобразователь напряжения может быть выполнен таким образом, что ведущим является преобразователь DC-DC.
Двунаправленный преобразователь напряжения может быть выполнен таким образом, что инвертер состоит из взаимосвязанных: входного фильтра, содержащего фильтр, схему защиты от перенапряжений, реле и пусковые резисторы; силовых дросселей; силовых транзисторов, соединенных по схеме Т-образного моста; выходного фильтра; драйверов ключей; цифровой системы управления; схемы измерения потребляемого тока, выходного и входных напряжений; системы питания для измерительной части.
Двунаправленный преобразователь напряжения может быть выполнен таким образом, что изолированный преобразователь DC/DC содержит следующие взаимосвязанные блоки: входной емкостный фильтр; мост первичной стороны; резонансный контур, состоящий из конденсаторов и дросселей на первичной и вторичной сторонах, и трансформатора; мост вторичной стороны; выходной емкостный фильтр; драйверы затворов MOSFET; схема измерения напряжений, резонансных токов и выходного тока; схема разряда конденсаторов; цифровая система управления.
Сущность технического решения с конкретными примерами реализации показана на фигурах 1-16, где: фиг.1 - функциональная схема V2G преобразователя; фиг.2 - функциональная схема питания V2G преобразователя; фиг.3 - фильтр AC/DC; фиг.4 - силовая часть AC/DC; фиг.5 - система измерения фазных токов; фиг.6 - система измерения фазных напряжений; фиг.7 - схема измерения напряжения в звене постоянного тока; фиг.8 - схема драйверов затворов MOSFET каскада AC/DC; фиг.9 - схема системы управления AC/DC-преобразователем; фиг.10 - силовая схема DC/DC-преобразователя; фиг.11 - схема фильтра и разряда емкостей DC/DC-преобразователя; фиг.12 - схема драйверов затворов MOSFET каскада DC/DC; фиг.13 - схема измерений и защиты каскада DC/DC; фиг.14 - схема питания каскада DC/DC; фиг.15 - система питания V2G преобразователя; фиг.16 - система управления DC/DC-преобразователем.
Двунаправленный преобразователь напряжения состоит из последовательно соединенных импульсных преобразователей: корректор мощности/инвертер (AC/DC) и DC-DC-преобразователь. Каждый преобразователь содержит силовую часть и вспомогательные модули, например, такие как блок управления, драйверы затворов ключей. Каскады преобразователей связаны между собой по шине CAN, ведущим является преобразователь DC-DC.
В результате анализа проблематики существующего уровня техники было принято решение о выборе в пользу трехуровневого Т-образного конвертера с замыканием на среднюю точку (T-type Neutral Point Clamped, TNPC) в виду приемлемого количества и доступности полупроводниковых компонентов, хорошего соотношения эффективность/цена, а также относительно несложного алгоритма управления (см. фиг.1).
Преимущества данной топологии по сравнению с традиционной 6-ключевой топологией:
- меньшие искажения потребляемого тока, как следствие, требует входного фильтра меньшего размера=>меньшие потери;
- меньшие высокочастотные помехи при переключении силовых транзисторов;
- меньшие по индуктивности силовые дроссели=>меньшие потери и массогабаритные показатели.
Среди недостатков можно упомянуть большее количество полупроводниковых ключей и более высокую сложность алгоритма управления.
Задачей преобразователя в режиме корректора мощности является преобразование переменного сетевого напряжения в постоянное и поддержание данного напряжения на выходе в требуемом диапазоне (650-800 В), при этом фазные токи должны по форме повторять форму входного синусоидального напряжения, и быть с ними в фазе, при этом сводя к минимуму высшие гармоники, таким образом достигается высокий коэффициент мощности. В режиме инвертора постоянное напряжение преобразуется в переменное, в сеть выдается требуемая мощность.
В процессе работы микроконтроллер получает следующую информацию:
- требуемое выходное напряжение в режиме корректора, либо требуемая выходная мощность в режиме инвертора (внешний сигнал по шине CAN);
- фазные напряжения;
- фазные токи;
- напряжение звена постоянного тока;
- сигналы с датчиков температур.
На основании алгоритма управления микроконтроллер производит вычисления, в результате чего происходит генерация ШИМ-сигналов для каждого силового транзистора. Сигналы далее поступают на изолированные драйвера управления затвором.
Для надежной работы преобразователя системы управления применены следующие меры по защите:
- защита от превышения напряжения в звене постоянного тока
- аварийное отключение при выходе за пределы рабочих фазных напряжений;
- защита от превышения тока;
- защита по перегреву силовых ключей.
Для дальнейшего преобразования постоянного напряжения, полученного с корректора мощности, в регулируемое напряжение, требуемое для заряда литий-ионных аккумуляторов, необходим DC/DC-преобразователь. При режиме генерации в сеть (V2G) напряжение с батареи преобразуется в постоянное напряжение (650-800 В), и дальше используется для питания инвертера. Таким образом, DC/DC-преобразователь должен позволять двунаправленное преобразование энергии.
Ключевыми особенностями при выборе топологии являются:
- возможность двунаправленной работы;
- возможность мягкой коммутации ключей;
- широкий диапазон регулирования.
В качестве примера могут быть применены:
1) резонансный CLLLC;
2) двойной активный мост (Dual-Active Bridge, DAB).
В качестве каскада DC/DC-преобразователя может быть применен резонансный конвертер типа CLLLC (см. фиг.1). Данная топология позволяет достичь двунаправленного преобразования энергии, характеризуется низким уровнем генерируемых шумов, высоким КПД и высокой плотностью энергии.
Преимущества данной топологии:
- мягкое переключение ZVS/ZCS в широком диапазоне частот и нагрузок;
- высокая эффективность;
- низкие потери на переключение;
- возможность комбинированного (частотное+фазное) управления при работе на низких нагрузках и выходных напряжениях.
К недостаткам можно отнести:
- большой ток пульсации в выходных конденсаторах;
- относительно большой реактивный ток, как следствие высокие потери на проводимость;
- сложность расчета для удовлетворения требований широкого диапазона выходных напряжений;
- сложный алгоритм управления для достижения широкого диапазона регулировки.
Задачей системы управления является поддержание требуемого выходного напряжения и тока заряда в режиме заряда батареи, а также поддержание требуемого напряжения на шине постоянного напряжения вне зависимости от напряжения батареи в режиме генерации в сеть.
В процессе работы микроконтроллер получает следующую информацию:
- режим работы, требуемые значения напряжений/тока (по шине CAN);
- выходное напряжение;
- ток заряда;
- напряжение DC-шины;
- сигналы с датчиков температур.
Силовая схема двунаправленного преобразователя напряжения приведена на фигурах 3-16 и состоит из следующих частей:
- силовая часть AC/DC;
- система измерения тока;
- система измерения входного и выходного напряжения;
- схема и система питания драйверов затворов MOSFET каскада AC/DC;
- схема системы управления AC/DC;
- силовая часть DC/DC;
- схема разряда конденсаторов и выходной фильтр DC/DC;
- схема драйверов затворов MOSFET каскада DC/DC;
- система измерений и защиты DC/DC;
- система питания V2G преобразователя;
- схема системы управления DC/DC-преобразователя.
Силовая часть AC/DC приведена далее, при этом основными компонентами являются:
- входной фильтр, содержащий фильтр, схему защиты от перенапряжений, реле и пусковые резисторы;
- силовые дроссели;
- силовые транзисторы, соединенные по схеме Т-образного моста;
- выходной фильтр;
- драйверы ключей;
- цифровая система управления;
- схема измерения фазных токов, фазных напряжений и напряжения DC;
- система питания для измерительной части.
Входной фильтр предназначен для защиты от импульсных перенапряжений и снижения уровня пульсаций тока для соответствия международным стандартам ЭМС. Данный блок состоит из синфазных дросселей и пленочных конденсаторов X2. В состав защиты от импульсных помех входят варисторы и газовый разрядник. Для защиты от КЗ предусмотрены предохранители на 20А. Для ограничения пусковых токов используются реле и резисторы. В момент включения преобразователя емкости заряжаются через резисторы, а после заряда конденсаторов резисторы шунтируются реле. Для обеспечения возможности самозапуска преобразователя используются реле только на 2 фазы, третья фаза постоянно подключена к преобразователю.
Силовые дроссели являются ключевыми элементами импульсного преобразователя. В режиме корректора мощности преобразователь работает как повышающий преобразователь, таким образом, напряжение на шине постоянного тока выше, чем выпрямленное сетевое. В режиме инвертора преобразователь работает как понижающий, таким образом пиковое переменное напряжение меньше по амплитуде, чем половина напряжения шины постоянного тока. Дроссели выполнены на порошковых сердечниках с распределенным зазором. Всего в преобразователе 3 дросселя номиналом 340 мкГн, максимальный ток которых равен 30А.
Сборка из силовых ключей используется для коммутации высокочастотных рабочих токов. Сборка состоит из 4-х транзисторов: транзисторы верхнего и нижнего плеча выполнены по технологии SiC, транзисторы среднего плеча соединены последовательно для получения двунаправленного ключа и выполнены по технологии IGBT. В качестве ключей могут быть выбраны полупроводниковые приборы IMW120R060M1H 1200V и IKW50N65F5FKSA1 650V компании Infineon.
Выходные конденсаторы служат для снижения пульсаций на шине постоянного напряжения и являются неотъемлемой частью преобразователя. Конденсаторы соединены последовательно-параллельно для получения необходимой емкости и получения необходимого рабочего напряжения. В качестве конденсаторов используются конденсаторы номиналом 220 мкФ 450 В. Эквивалентная емкость выходного фильтра составляет 330 мкФ.
Система измерения тока, система измерения фазных напряжений, система измерения постоянного напряжения, система питания и схема измерения температур приведены далее.
В процессе работы преобразователя измеряются следующие параметры:
- фазные напряжения;
- фазные токи;
- напряжение звена постоянного тока;
- сигналы с термисторов, расположенных на радиаторах.
Фазные напряжения измеряются с помощью делителей напряжения. Так как опорный уровень микроконтроллера присоединен к средней точке, а нейтраль не используется, то фазные напряжения измеряются с помощью делителей напряжения, соединенных в звезду, изолированные измерения осуществляются с помощью ОУ ACPL-C79A. Для усиления и смещения измеренного сигнала применяются операционные усилители OPA4350UA. Полученные сигналы подаются на входы АЦП микроконтроллера, где далее оцифровываются.
Фазные токи измеряются с помощью датчиков холла, например, CASR 15-NP. Данные датчики позволяют гальванически развязать измеряемые сигналы от системы управления. Измеренные сигналы далее усиливаются с помощью операционных усилителей OPA4340UA и подаются на входы микроконтроллера, где далее оцифровываются.
Для корректной работы системы управления, а также для балансировки напряжения на верхних и нижних конденсаторах измеряется два напряжения с помощью резистивных делителей относительно средней точки. Сигналы измеряются по дифференциальной схеме.
Для обеспечения питания микроконтроллера и измерительной системы используется специализированная система питания. Напряжение 12 В, которое приходит на плату, понижается до 5 В с помощью линейного регулятора напряжения. Полученное напряжение 5 В далее используется для питания датчиков тока. Для питания операционных усилителей используется линейного регулятор с низким падением напряжения на 3.3 В. Плата управления содержит отдельную систему питания и питается от 5 В шины. (см. фиг. 4-7).
Схема драйверов затворов MOSFET и система питания драйверов MOSFET показаны на фиг.8.
Для коммутации ключей применяются специализированные драйверы затворов фирмы Texas Instruments. Используемые драйверы позволяют коммутировать ключи с высокой скоростью, содержат необходимую защиту от короткого замыкания. Используются изолированные драйверы UCC5320. Для обеспечения питания применяются универсальные маломощные модульные DC/DC-преобразователи QA1215C2. (см. фиг.8).
Также в качестве примера осуществления можно привести следующую схему системы управления.
Цифровая система управления, состоящая из микроконтроллера и вспомогательных компонентов, является ключевой частью преобразователя, отвечающая за корректную работу и надежность преобразователя. В качестве контроллера применяется микросхема STM32G474RE компании ST. Данный микроконтроллер обладает широкой аналоговой и цифровой периферией, позволяющей сократить количество дискретных компонентов. В зависимости от режима работы система управления производит измерение рабочих параметров, таких как фазные напряжения, фазные токи, значение выходного напряжения, рабочие температуры, производит вычисления и генерирует высокочастотные сигналы управления ключами.
В качестве внешнего управления применяется протокол CAN. Для преобразования уровней CAN в уровни, совместимые с входами/выходами микроконтроллера применена специализированная микросхема-драйвер CAN ISO1050. Необходимое питание вторичной стороны CAN-трансивера генерируется с помощью DC/DC-преобразователя.
Измеряемое напряжение звена постоянного тока (сигналы Vo+и Vo-) поступают на вход АЦП и оцифровываются. Для защиты от перенапряжения на шине постоянного тока применяется компараторная защита. Сигнал напряжения с верхних транзисторов сравнивается с опорным с помощью компаратора, выходной сигнал которого далее заводится на цифровой вход МК.
Система тактирования настроена на использование внешнего кварца 8МГц. С помощью ФАПЧ данная частота поднимается до 128 МГц внутри микроконтроллера. При выходе из строя внешней системы тактирования МК автоматически переключится на внутренний источник тактирования (см. фиг.9).
Схема DC/DC-преобразователя может иметь следующий вид.
Изолированный преобразователь DC/DC состоит из блоков:
- входной емкостный фильтр;
- мост первичной стороны;
- резонансный контур, состоящий из конденсаторов и дросселей на первичной и вторичной сторонах, и трансформатора;
- мост вторичной стороны;
- выходной емкостный фильтр;
- драйверы затворов MOSFET;
- схема измерения напряжений, резонансных токов и выходного тока;
- схема разряда конденсаторов
- цифровая система управления.
Мосты первичной и вторичной сторон содержат по 4 SiC транзистора IMZ120R045M1. В режиме заряда батареи ведущей стороной является мост на первичной стороне, на вторичной стороне мостовой выпрямитель работает в режиме синхронного выпрямителя. В режиме генерации в сеть первичная и вторичная сторона меняются местами: ведущей становится вторичная сторона.
В процессе работы измеряются следующие параметры системы:
- напряжение на первичной стороне;
- напряжение на вторичной стороне;
- ток заряда;
- температуры радиаторов;
- мгновенное и среднее значение токов в первичных и вторичных контурах.
Для работы синхронного выпрямителя сигнал измеренного резонансного тока с ведомого моста подается на вход компаратора. Полученный цифровой сигнал с компаратора измеряется микроконтроллером и используется как триггер для коммутации соответствующих ключей. На малых нагрузках синхронный выпрямитель не используется.
Входной и выходной емкостный фильтр состоит из 2-х последовательно соединенных электролитических конденсаторов емкостью 100 мкФ. Эквивалентная емкость фильтра составляет 200 мкФ. Для снижения пульсаций через электролитические конденсаторы также применяются пленочные конденсаторы с низким ESR общей емкостью 16 мкФ.
В качестве драйверов затворов ключей применяются микросхемы UCC5320 от компании TI. Данные драйвера обладают высоким быстродействием, защитой от короткого замыкания, раздельными каналами включения/выключения транзистора, благодаря чему можно настроить режим работы. Драйвера имеют емкостную развязку и рассчитаны на напряжение 1200 В. Для первичной стороны они применяются совместно с цифровыми изоляторами ISO7720 для того, чтобы развязать сигнал ШИМ от микроконтроллера, находящегося на стороне батареи, от первичной стороны.
Цифровая система управления может быть построена на базе микроконтроллера STM32G474RE от фирмы ST. Для управления ключами используется 4 канала ШИМ высокого разрешения. Система управления производит измерение параметров системы, в зависимости от режима работы и установленных по шине CAN значений производит управление преобразователем. Для обеспечения широкого диапазона регулирования применяется комбинированное частотное и фазное управление. На низких нагрузках возможно переключение в режим полумоста на первичной стороне и регулирование напряжение на каскаде AC/DC.
Для питания компонентов системы управления и схемы измерения могут быть использованы изолированные DC/DC-преобразователи TMV1205S совместно с линейными регуляторами TLV1117LV33 и IFX1763XEJV50. Данные регуляторы обеспечивают питанием операционные усилители, компараторы и цифровые изоляторы. На плате управления используется отдельная система питания с применением тех же линейных регуляторов. Для питания драйверов ключей MOSFET применены DC/DC-преобразователи QA121C2.
В качестве внешнего управления применяется протокол CAN. Для преобразования уровней CAN в уровни, совместимые с входами/выходами микроконтроллера применена специализированная микросхема-драйвер CAN ISO1050. Необходимое питание вторичной стороны CAN-трансивера генерируется с помощью DC/DC-преобразователя F0505S-1WR3.
Система тактирования настроена на использование внешнего кварца 8МГц. С помощью ФАПЧ данная частота поднимается до 128 МГц внутри микроконтроллера. При выходе из строя внешней системы тактирования МК автоматически переключится на внутренний источник тактирования (см. фиг.16).
Для питания AC/DC- и DC/DC-преобразователем используется маломощный DC/DC-преобразователь, построенный на полумостовой схеме LLC и контроллере UCC256304. Данный преобразователь имеет 3 выходных напряжения, которые используются для питания:
AC/DC-преобразователя и системы охлаждения, 12 В
DC/DC-преобразователя, 12 В
контроллера и первичной стороны DC/DC-преобразователя.
Блок DC/DC-преобразователя представляет собой многослойную печатную плату, на которой смонтированы SMD и выводные компоненты. Входной и выходной кабели подключаются с помощью винтовых клемм. Выводы трансформатора подключаются к плате с помощью винтовых клемм, а сам трансформатор фиксируется на плате с помощью герметизирующего компаунда и винтовых соединений. Сборки из резонансных конденсаторов запаиваются в основную плату. Транзисторы монтируются на алюминиевый профиль с помощью винтового соединения, между основанием транзистора и радиатором применяется изолирующая керамическая теплопроводящая подложка из оксида алюминия. Смонтированная сборка из транзисторов и радиаторов крепится к основной плате винтами. Модуль управления соединяется с основной платой с помощью штыревых соединений.
Протокол управления преобразователем разработан с учетом опыта эксплуатации различных систем питания и набора необходимых команд.
Имеющаяся версия протокола является базовой и реализует основной набор команд для управления и заданием основного режима работы силового преобразователя.
Физический уровень, использующий этот стандарт, должен соответствовать нормам физического уровня в ISO 11898-1: 2003 и SAE J1939-11: 2006. Для этого обмена данными должен использоваться изолированный интерфейс CAN. Скорость связи 125 кбит / с.
Предложенная конструктивная схема двунаправленного преобразователя напряжения позволяет исключить недостатки существующего уровня техники, позволяя достичь технический результат, заключающийся в повышении КПД такого двунаправленного преобразователя напряжения.
Поиск по общедоступным источникам информации показал, что из уровня техники не известна вся совокупность существенных признаков двунаправленного преобразователя напряжения, в связи с чем полезная модель соответствует условию патентоспособности «новизна».
Двунаправленный преобразователь напряжения изготавливается из стандартных для этой области техники компонентов на общеизвестном оборудовании, то есть может быть использован в промышленности, ввиду чего полезная модель соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
Следует понимать, что после рассмотрения специалистом приведенного описания с примерами осуществления предлагаемого двунаправленного преобразователя напряжения, для него станут очевидными другие изменения, модификации и варианты реализации полезной модели. Таким образом, все подобные изменения, модификации и варианты реализации, а также другие области применения, не имеющие расхождений с сущностью настоящей полезной модели, следует считать защищенными настоящей полезной модели в объеме прилагаемой формулы.