ПОНИЖАЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
STEP-DOWN DC VOLTAGE CONVERTER

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, а именно к области полупроводниковой преобразовательной техники (силовой электроники), и может быть использовано в качестве высоковольтного понижающего dc-dc конвертора средней мощности в системах электрооборудования постоянного тока, например, для электровозов постоянного тока напряжением 3(1.5) кВ для питания от контактной сети с повышенным напряжением (12(6) кВ, 18(9) кВ и т.д.).
Известен понижающий преобразователь постоянного напряжения, содержащий конденсаторы и два модуля, каждый из которых состоит из Nk, где k - целые положительные числа натурального ряда 1, 2, 3, 4, a N - четное число ячеек, задающее коэффициент преобразования преобразователя по напряжению, последовательно соединенных ключей, каждый из которых, в свою очередь, образован встречно-параллельным соединением вентиля с полным управлением, и диода, причем первый оконечный вывод первого модуля соответствует катоду диода ключа, а первый оконечный вывод второго модуля соответствует аноду диода ключа (Зиновьев Г.С., Лопаткин Н.Н. Преобразователь постоянного напряжения. Патент РФ №2393618, Бюл. №18, 2010).
Однако указанный преобразователь постоянного напряжения не имеет общей точки входной и выходной цепей, что сужает области применения преобразователя. К тому же он имеет значительные потери мощности при жесткой коммутации вентилей.
Также известен понижающий преобразователь постоянного напряжения, который можно рассматривать как модуль, состоящий из четырех ячеек, каждая из которых состоит из двух конденсаторов, двух электрических резонансных реакторов и двух ключей. Схема может быть реализована на двунаправленных IGBT-ключах с обратными диодами с полным управлением или GTO-тиристорах. Каждый из двух конденсаторов соединен последовательно с одним из двух ключей. Ячейки соединены так, что первый вывод второго ключа подсоединен к первому выводу первого ключа следующей ячейки, а второй вывод ключа соединен со вторым конденсатором первой ячейки. (G.D. Hajek, High voltage to low voltage regulated inverter apparatus, ПАТЕНТ США №3513376 Nov. 29, 1967).
Однако указанный преобразователь имеет низкое качество входного тока и выходного напряжения.
Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является создание понижающего преобразователя постоянного напряжения с улучшенным качеством входного тока и выходного напряжения.
Это достигается тем, что в понижающий преобразователь постоянного напряжения, содержащий входной диод и преобразовательный модуль из К ячеек, каждая из которых, в свою очередь, образована двумя последовательными соединениями LC-звена и двумя ключами с полным управлением, причем первое LC-звено соединено последовательно с первым выводом первого ключа, конденсатор этого же звена соединен со вторым выводом второго ключа, а второй вывод первого ключа соединен с конденсатором второго LC-звена, резонансный реактор которого соединен с первым выводом второго ключа, вводится входной фильтр и второй такой же преобразовательный модуль, два развязывающих диода, при этом второй модуль, состоящий из К таких же ячеек, что в прототипе, подсоединенный параллельно первому модулю, таким образом, что «земля» - общая шина этих модулей, два развязывающих диода соединены так, что катод развязывающего диода первого модуля соединен с катодом развязывающего диода второго модуля и положительной клеммой выхода преобразователя, а анод соединен с резонансным конденсатором второго LC-звена К-й ячейки, являющийся положительным выходом первого модуля, при этом анод развязывающего диода второго модуля, являющийся положительным выходом второго модуля, соединен с резонансным конденсатором второго LC-звена К-й ячейки этого модуля, реактор входного фильтра подключен последовательно входу преобразователя, первый вывод конденсатора входного фильтра подключен к средней точке первого LC-звена первого модуля, а второй вывод конденсатора подключен к «земле».
На фиг. 1 представлена схема предлагаемого понижающего преобразователя постоянного напряжения для К ячеек, на фиг. 2 изображена схема понижающего преобразователя постоянного напряжения конкретно для К=4 ячеек, на фиг. 3 изображены диаграммы, поясняющие работу преобразователя с четырьмя ячейками.
Предлагаемый преобразователь на фиг. 1 содержит два идентичных модуля М 1 и входной сглаживающий фильтр, образованный соединением реактора 2 и конденсатора 3. Также, последовательно с реактором 2 включен диод 4, причем первый вывод конденсатора 3 соединен со средней точкой первого LC-звена модуля М 1, а второй вывод соединен с клеммой высокого потенциала входного источника напряжения Uвх. По структуре модули М 1 идентичные. Каждый такой модуль состоит из четырех ячеек Я 5. В состав ячейки Я 5 входит два ключа с полным управлением со встречно-параллельным диодом (далее - ключ), два конденсатора, два резонансных реактора. Конденсатор 7 и резонансный реактор 6 и IGBTl-транзистор 8 соединены последовательно. Следующее LC-звено из реактора 9, конденсатора 10 и IGBT2-транзистор ключа 11 соединено последовательно. Первый вывод этого ключа последовательно соединен с реактором 9, а второй вывод ключа соединяется с конденсатором 7 последовательно. Ячейки Я 5 соединены между собой каскадно, то есть второй ключ 11 ячейки Я 5 первым выводом соединен первым выводом третьего ключа 8 ячейки Я 5. А конденсатор 10 ячейки Я 5 соединен последовательно с накопительным реактором 9 ячейки Я 5, который в свою очередь соединен со вторым выводом третьего ключа 8 ячейки Я 5. Аналогичным образом выполняются другие ячейки модуля М 4 с соответствующим изменением порядковых номеров элементов. Модули соединены между собой параллельно таким образом, что средняя точка первого LC-звена Я 5 соединена со средней точкой первого LC-звена ячейки Я5 модуля М 4. «Земля» - общая шина у модулей М 1. Также дополнительно введены два развязывающих диода. Эти диоды нужны для ограничения влияние модулей друг на друга при работе. Первый вывод развязывающего диода 12 первого модуля соединен с первым выводом развязывающего диода 12 второго модуля, а второй вывод развязывающего диода 12 первого модуля соединен с конденсатором 10 ячейки Я 5. Второй вывод развязывающего диода 12 подключен с конденсатором 10 ячейки Я 5 второго модуля.
Принцип работы преобразователей с К ячейками на фиг. 1 и, например, с четырьмя ячейками на фиг. 2 идентичен, поэтому удобнее рассмотреть работу для более простого варианта преобразователя с четырьмя ячейками.
in
Преобразователь последовательно находится в одном из двух периодически сменяющихся состояний. В первом состоянии управляющие импульсы подаются на ключи 8. Конденсаторы 10 U /4 начинают заряжаться до напряжения U/4. Во втором состоянии управляющие импульсы подаются на ключи 11. При этом конденсаторы 10 начинают разряжаться и через ключи четной группы заряжают конденсаторы 7. Таким образом, от ячейки к ячейке напряжение понижается на 3 кВ и на выходе первого модуля М 1 на конденсаторе 10 нижней ячейки получается импульсное прямоугольное напряжение амплитудой 3 кВ. Во втором модуле М 1 процессы проходят аналогично, с тем лишь условием, что сперва в работу вступают ключи 11, а затем ключи 8. В итоге на выходе второго модуля М 1 на конденсаторе 10 нижней ячейки получается импульсное напряжение амплитудой 3 кВ, которое сдвинуто по фазе на полпериода относительного выходного напряжения с первого модуля. В конечном счете из суммы импульсных прямоугольных напряжений амплитудой 3 кВ на выходах модулей М 1 получаем на выходе преобразователя постоянное напряжение Uвых 3 кВ. Диаграммы токов и напряжений элементов преобразователя показаны на фиг. 3, где обозначено:
Е - входное напряжение преобразователя
iвx - входной ток преобразователя
iвх.ф. - входной ток преобразователя до фильтра
Uc - напряжение на входном фильтре
U1 - сигнал включения ключей, работающих в первой половине периода работы
U2 - сигнал включения ключей, работающих во второй половине периода работы
Uвых1 - напряжение на выходе модуля М 1
iвых1 - ток на выходе модуля М 1
Uвых2 - напряжение на выходе модуля М 2
Iвых2 - ток на выходе модуля М 2
iT - ток в транзисторе ключа
Т - период импульсов управления.
Таким образом, предлагаемый преобразователь постоянного напряжения имеет улучшенное качество выходного напряжения и входного тока, так как имеет непрерывное выходное напряжение и непрерывный входной ток. Непрерывное выходное напряжение обеспечивается поочередной работой выходов двух модулей на общую нагрузку. Непрерывный входной ток обеспечивается поочередным подключением входов двух модулей к общему источнику питания.