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, 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.
Известен также понижающий преобразователь постоянного напряжения, взятый за прототип, состоящий из двух одинаковых модулей, каждый из которых включает в себя четыре преобразовательные ячейки, каждая из которых состоит из двух электрических резонансных реакторов, двух конденсаторов и двух ключей. Ключи могут быть реализованы на IGBT-ключах с обратными диодами. Соответствующий резонансный конденсатор и ключ соединены последовательно. Преобразовательные ячейки соединены каскадно так, что первый вывод второго ключа подсоединен к первому выводу первого ключа следующей преобразовательной ячейки, а второй вывод ключа соединен со вторым резонансным конденсатором первой преобразовательной ячейки. Аноды двух развязывающих диодов соединены с выходами нижних преобразовательных ячеек модулей, катоды обоих развязывающих диодов соединены вместе и точка их соединения образует положительный зажим выхода преобразователя. Выходной зажим входного фильтра подсоединен к первому входу первой ячейки. (Зиновьев Г.С., Козлов П.В., Патент РФ №2558739 8.07.2015 г.).
Однако указанный преобразователь является сложным, т.к. имеет большое количество ключей (транзисторов), реакторов и конденсаторов.
Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является создание более простого понижающего преобразователя постоянного напряжения.
Вышеуказанная задача решается путем того, что в понижающий преобразователь постоянного напряжения, содержащий последовательно включенный входной диод, входной LC-фильтр из последовательно включенного сглаживающего реактора и параллельно включенного сглаживающего конденсатора и каскад из К преобразовательных ячеек, к первой ячейке каскада подключен выход входного LC-фильтра, при этом каждая из преобразовательных ячеек, в свою очередь, образована двумя последовательными соединениями резонансного LC-звена и двумя транзисторами со встречно-параллельными диодами, причем первое резонансное LC-звено соединено последовательно с первым выводом первого транзистора, конденсатор этого же звена соединен со вторым выводом второго транзистора, а второй вывод первого транзистора соединен с конденсатором второго резонансного LC-звена, резонансный реактор которого соединен с первым выводом второго транзистора, а также содержащий два развязывающих диода, аноды которых связаны с соответствующими выходами последних в каскаде преобразовательных ячеек, а катодами связанны друг с другом, введены дополнительные элементы, а именно два транзистора, включенные между двумя выходами нижней преобразовательной ячейки и землей, один выходной сглаживающий конденсатор, включенный между точкой соединения катодов развязывающих диодов и землей, один выходной сглаживающий конденсатор 13, включенный между точкой соединения катодов развязывающих диодов и землей, один выходной сглаживающий реактор 12, одним концом подсоединен к этой же точке, а второй конец которого образует положительный зажим выходного напряжения преобразователя, при этом развязывающие диоды анодами подключены к двум выводам последней в каскаде преобразовательной ячейки.
На фиг. 1 изображена схема для общего случая К ячеек в преобразователе, на фиг. 2 представлена конкретная схема понижающего преобразователя постоянного напряжения с четырьмя ячейками (К=4), на фиг. 3 изображены диаграммы, поясняющие его работу.
Рассмотрим предлагаемое устройство на фиг. 1. Оно состоит из К преобразовательных ячеек Я4 и входного сглаживающего фильтра, образованного соединением последовательного сглаживающего реактора 1 и параллельного сглаживающего конденсатора 2. Также последовательно сглаживающего реактора 1 подсоединен диод 3, причем первый вывод сглаживающего конденсатора входного фильтра 2 соединен со входом первой ячейки преобразователя. Этот вход расположен между средней точкой первого LC-звена, из последовательного соединения резонансного реактора 5 и конденсатора 7. Второй вывод входного сглаживающего конденсатора входного фильтра 2 соединен с земляной шиной входного источника напряжения.
Каждая преобразовательная ячейка состоит из двух транзисторов со встречно-параллельным диодом (далее ключ), двух конденсаторов, двух резонансных реакторов. Конденсатор 7, резонансный реактор 5 и IGBT1-транзистор 10 соединены последовательно. Следующее LC-звено (8 и 6) и IGBT2-транзистор 9 соединены последовательно. Первый вывод ключа 9 последовательно соединен с резонансным реактором 8, а второй вывод ключа соединяется с конденсатором 7 последовательно. Преобразовательные ячейки Я4 соединены между собой каскадно, то есть второй ключ 9 ячейки Я4 первым выводом соединен первым выводом третьего ключа 10 преобразовательной ячейки Я4. А конденсатор 6 преобразовательной ячейки Я4 соединен последовательно с резонансным реактором 5 ячейки Я4, который в свою очередь соединен со вторым выводом ключа 10 ячейки Я4. Аналогичным образом выполняются другие преобразовательные ячейки с соответствующим изменением порядковых номеров элементов. На выход преобразователя добавлены два транзистора 11, включенных между двумя выходами последней ячейки и землей, один выходной сглаживающий конденсатор 13, включенный между точкой соединения катодов развязывающих диодов и землей, один выходной сглаживающий реактор 12, одним концом подсоединен к этой же точке, а второй конец которого образует положительный зажим выходного напряжения преобразователя, при этом развязывающие диоды анодами подключены к двум выводам последней в каскаде преобразовательной ячейки.
1
Устройство работает в два этапа. На первом этапе отпирающие импульсы U с частотой 10 кГц открывают транзисторы 10. Ток iкл фиг. 3 протекает через открытые транзисторы, ограниченный индуктивностями резонансных реакторов 5, заряжая конденсаторы 6. Таким образом, четыре конденсатора подсоединены последовательно с источником напряжения Uвх (здесь 12 кВ) и заряжаются до напряжения Ubx/4 каждый (здесь 3 кВ). В то же время конденсаторы 7 подсоединены последовательно нагрузке через диод 14, минуя левый закрытый транзистор 11. В результате работы преобразователя в первой половине периода в нагрузке возникает импульсное напряжение Uвых1 амплитудой 3 кВ.
in
in
На втором этапе импульсы U2 с частотой 10 кГц отпирают транзисторы второй группы 9. Конденсаторы 7 заряжаются от источника напряжения U также до напряжения U/4. В то же время конденсаторы 6 оказываются соединены последовательно нагрузке (ток протекает через диод 14, правый транзистор 11 - закрыт). В результате работы преобразователя во вторую половину периода в нагрузке появляется импульсное напряжение Uвых2 амплитудой 3 кВ, сдвинутое по фазе на 180 электрических градусов относительно напряжения в первом такте.
in
В итоге, в нагрузке за период работы преобразователя при полной модуляции возникает пониженное постоянное напряжение Uвых, равное U/4, и протекает сглаженный выходным сглаживающим реактором 12 ток iвых.
Ток на входе первой ячейки iвх имеет большие пульсации, но напряжение на входе преобразовательных ячеек Uc и ток входного источника iф вх имеют сглаженные пульсации сглаживающим реактором 1 и сглаживающим конденсатором 2 входного фильтра.
Путем регулирования скважности управляющих импульсов транзисторов появляется возможность регулирования среднего значения выходного напряжения преобразователя.
Таким образом, предлагаемый преобразователь является значительно более простым по сравнению с преобразователем прототипом из-за меньшего числа элементов. В нем содержится в два раза меньше преобразовательных ячеек, т.е. не К штук, а только К/2 штук. Но в каждой ячейке содержится 2 транзисторно-диодных ключа, 2 конденсатора и 2 резонансных реактора, что в итоге означает уменьшение общего числа транзисторно-диодных ключей, конденсаторов и реакторов на 2К штук каждого, Взамен добавлены только два транзистора, один выходной сглаживающий конденсатор и один выходной сглаживающий реактор. При высоких значениях числа ячеек К (рационально К=8 для применения в высоковольтной электрической железнодорожной тяге) это упрощение преобразователя практически будет в 2 раза по общему числу элементов в нем.