Полумостовой преобразователь постоянного напряжения в постоянное
HALF-BRIDGE DC-TO-DC VOLTAGE CONVERTER

Предлагаемое изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в системах питания для преобразования постоянного напряжения в постоянное с блоком управления, реализующим широтно-импульсную модуляцию.
Известен преобразователь постоянного напряжения в постоянное, содержащий дроссель, первый вывод которого подключен к первому входному выводу, второй вывод его подключен через индуктивность к первому выводу первичной обмотки трансформатора, второй вывод которой подключен к объединенным выводам первого и второго конденсаторов, свободный вывод первого конденсатора подключен к выходу первого силового ключа, шунтированного первым диодом и третьим конденсатором, вход первого силового ключа подключен ко второму выводу дросселя, к выходу второго силового ключа, шунтированного вторым диодом и четвертым конденсатором, вход его подключен ко второму входному выводу и к свободному выводу второго конденсатора, блок управления, первый и второй выходы которого подключены соответственно к управляющим входам первого и второго силовых ключей, вторичную обмотку трансформатора, первый вывод которой подключен через третий диод ко входу фильтра, выход которого подключен к первому выходному выводу преобразователя, второй вывод вторичной обмотки трансформатора подключен через четвертый диод к первому выводу вторичной обмотки трансформатора и ко второму выходному выводу преобразователя (RU №2242078, Н02М 3/335, 2003).
Недостатками преобразователя являются динамические потери, возникающие за счет перезаряда паразитных емкостей силовых транзисторов при их включении при больших токах нагрузки и высокой частоте коммутации, и динамические потери за счет влияния паразитной индуктивности первичной обмотки трансформатора.
Известен преобразователь постоянного напряжения в постоянное, содержащий подключенные параллельно первому и второму входным выводам первый конденсатор, соединенные последовательно первый и второй силовые ключи, к точке соединения которых подключен первый вывод первого дросселя, второй вывод которого подключен к первому выводу первичной обмотки трансформатора, параллельно которой подключен второй дроссель, второй вывод ее подключен через второй конденсатор ко второму входному выводу, первая и вторая вторичные обмотки трансформатора соединены согласно, свободные выводы их подключены соответственно к катодам первого и второго диодов, аноды их объединены и подключены ко входу фильтра, выход которого подключен к элементу обратной связи и к первому выходному выводу преобразователя, ко второму выходному выводу которого подключена точка соединения первой и второй вторичной обмотки трансформатора, а также блок управления, вход которого подключен к выходу элемента обратной связи, первый и второй выходы его подключены соответственно к управляющим входам первого и второго силовых ключей (US №20120250361, Н02М 3/335, 2012).
Недостатками преобразователя являются динамические потери, возникающие за счет перезаряда паразитных емкостей силовых транзисторов в момент включения при больших токах нагрузки и высокой частоте коммутации, динамические потери за счет влияния паразитной индуктивности первичной обмотки трансформатора, статические потери за счет влияния паразитной индуктивности рассеяния первичной обмотки трансформатора.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является преобразователь постоянного напряжения в постоянное, содержащий первый и второй силовые ключи, соединенные последовательно и подключенные параллельно первому и второму входным выводам, к которым подключены соединенные последовательно первый и второй конденсаторы и трансформатор, первый вывод первичной обмотки которого подключен к точке соединения первого и второго силовых ключей, второй вывод его подключен к точке соединения первого и второго конденсаторов, причем первая и вторая вторичные обмотки трансформатора соединены согласно и точка их соединения подключена к первому выходному выводу, свободный вывод первой вторичной обмотки трансформатора подключен через первый диод к входу фильтра, к которому подключен через второй диод, включенный в обратном направлении, свободный вывод второй вторичной обмотки трансформатора, при этом выход фильтра подключен ко второму выходному выводу преобразователя, элемент обратной связи, подключенный параллельно выходным выводам преобразователя, а также блок управления, вход которого подключен к выходу элемента обратной связи, первый и второй выходы его подключены соответственно к управляющим входам первого и второго силовых ключей, третий выход - к точке соединения первого и второго силовых ключей (В. Мелешин. Транзисторная преобразовательная техника. М., Техносфера, 2005, с. 276 рис. 12.27).
Недостатками преобразователя являются динамические потери, возникающие за счет перезаряда паразитных емкостей силовых транзисторов в момент их включения при больших токах нагрузки и высокой частоте коммутации, динамические потери за счет влияния паразитной индуктивности первичной обмотки трансформатора, статические потери за счет влияния паразитной индуктивности рассеяния первичной обмотки трансформатора.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение динамических потерь, повышение кпд преобразователя.
Технический результат достигается тем, что в полумостовой преобразователь постоянного напряжения в постоянное, содержащий подключенные параллельно к первому и второму входным выводам преобразователя последовательно соединенные первый и второй силовые ключи и соединенные последовательно первый и второй конденсаторы, трансформатор, первый вывод первичной обмотки которого подключен к точке соединения первого и второго конденсаторов, первые выводы первой и второй вторичных обмоток трансформатора объединены и точка их соединения подключена к первому выходному выводу преобразователя, свободный вывод первой вторичной обмотки трансформатора через первый диод подключен к входу фильтра, к которому подключен через встречно включенный второй диод свободный вывод второй вторичной обмотки трансформатора, выходы фильтра подключены к выходным выводам преобразователя, параллельно которым подключен элемент обратной связи, выход которого подключен к входу блока управления, первый и второй выходы которого подключены соответственно к управляющим входам первого и второго силовых ключей, третий выход его подключен к точке соединения первого и второго силовых ключей, введены индуктивность и соединенные встречно третий и четвертый силовые ключи, причем первый вывод индуктивности подключен к выходу третьего силового ключа и к точке соединения первого и второго силовых ключей, второй вывод индуктивности подключен ко второму выводу первичной обмотки трансформатора, к первому выводу которой подключен выход четвертого силового ключа, при этом управляющие входы третьего и четвертого силовых ключей подключены соответственно к четвертому и пятому выходам блока управления, к шестому выходу которого подключена точка соединения третьего и четвертого силовых ключей.
Анализ известных технических решений из научно-технической и патентной литературы позволяет сделать вывод, что на настоящее время неизвестно техническое решение, содержащее совокупность существенных признаков, что и в предложенном техническом решении.
Использование совокупности признаков, отличающих заявляемое техническое решение от известных при изучении данной и смежной областей раздела техники преобразования постоянного напряжения в постоянное, с той же целью не выявлено, что обеспечивает заявляемому техническому решению соответствие критерию «существенные отличия».
9
10
11
16
17-1
17-2
19
21
На фиг. 1 представлена электрическая схема полумостового преобразователя, на фиг. 2 - эпюры, поясняющие его работу (а - состояние проводимости первого 2 силового ключа, б - состояние проводимости второго 3 силового ключа, в - состояние проводимости третьего 6 и четвертого 7 силовых ключей, г - напряжение на входе индуктивности 8, д - ток I первичной обмотки трансформатора 9, е - ток I первого 10 диода, ж - ток I второго 11 диода), на фиг. 3 - пример выполнения блока 15 управления, на фиг. 4 - эпюры, поясняющие его работу (а - напряжение U на выходе задающего генератора 16, б - напряжение U на прямом выходе триггера 17, в - напряжение U на инверсном выходе триггера 17, г - напряжение U на первом 19 конденсаторе, д - U напряжение на выходе блока 21 сравнения).
1
2
1
2
3
1
2
3
1
2
Полумостовой преобразователь постоянного напряжения в постоянное /фиг. 1/ (в дальнейшем преобразователь) содержит подключенные параллельно к первому 1 и второму 1 входным выводам последовательно соединенные первый 2 и второй 3 силовые ключи и соединенные последовательно первый 4 и второй 5 конденсаторы, соединенные встречно третий 6 и четвертый 7 силовые ключи, индуктивность 8, первый вывод которой подключен к выходу третьего 6 силового ключа и к точке соединения первого 2 и второго 3 силовых ключей, трансформатор 9, первый вывод первичной обмотки 9 которого подключен к точке соединения первого 4 и второго 5 конденсаторов и к выходу четвертого 7 силового ключа, второй вывод ее подключен ко второму выводу индуктивности 8, первая 9 и вторая 9 вторичные обмотки трансформатора 9 соединены согласно и точка их соединения подключена к первому 14 выходному выводу преобразователя, свободный вывод первой 9 вторичной обмотки трансформатора 9 через первый 10 диод подключен к входу фильтра 12, к которому подключен через встречно включенный второй 11 диод свободный вывод второй 9 вторичной обмотки трансформатора 9, выходы фильтра 12 подключены к выходным выводам 14-14 преобразователя, параллельно которым подключен элемент 13 обратной связи, блок 15 управления, вход которого подключен к выходу элемента 13 обратной связи, первый и второй выходы его подключены соответственно к управляющим входам первого 2 и второго 3 силовых ключей, третий выход его подключен к точке соединения третьего 6 и четвертого 7 силовых ключей, к управляющим входам которых подключены соответственно четвертый и пятый выходы блока 15 управления, к точке соединения их подключен шестой выход блока 15 управления.
1
2
3
2
2
3
3
2
3
1
2
2
2
2
Блок 15 управления (фиг. 3) содержит задающий генератор 16, выход которого подключен к входу триггера 17 и к управляющему входу транзисторного ключа 18, вход которого подключен к общей шине, выход его подключен к общей шине через первый 19 конденсатор, к источнику 20 тока и к инверсному входу блока 21 сравнения, прямой вход которого подключен к выходу усилителя 22 ошибки, инверсный вход которого подключен к входу блока 15 управления, прямой вход усилителя 22 ошибки подключен к источнику 23 опорного напряжения, выход блока 21 сравнения подключен к первым входам первого 24 и второго 25 элементов И, вторые входы которых подключены соответственно к первому и второму выходам триггера 17, первый выход которого подключен через второй 26 конденсатор и первичную 27 обмотку первого трансформатора 27 к общей шине, первая 27 и вторая 27 вторичные обмотки первого 27 трансформатора соединены согласно и точка соединения их подключена к шестому выходу блока 15 управления, свободный вывод первой 27 вторичной обмотки первого 27 трансформатора подключен к первому выводу третьего 28 конденсатора, второй вывод которого подключен к четвертому выходу блока 15 управления и через встречно включенный первый 29 диод - к точке соединения первой 27 и второй 27 вторичных обмоток первого 27 трансформатора, свободный вывод второй 27 вторичной обмотки первого 27 трансформатора подключен к первому выводу четвертого 30 конденсатора, второй вывод которого подключен к пятому выходу блока управления и через встречно включенный второй диод 31 подключен к точке соединения к первой 27 и второй 27 вторичных обмоток первого 27 трансформатора, выход первого 24 элемента И через пятый 32 конденсатор и первичную 33 обмотку второго 33 трансформатора подключен к общей шине, первый вывод вторичной обмотки 33 второго трансформатора 33 подключен к первому выводу шестого 34 конденсатора, второй вывод которого подключен через первый 35 резистор, шунтированный встречно включенным третьим 36 диодом, к первому выходу блока 15 управления, второй вывод вторичной 33 обмотки второго 33 трансформатора подключен к третьему выходу блока 15 управления и через четвертый 37 диод - к точке соединения шестого 34 конденсатора и первого 35 резистора, выход второго 25 элемента И через седьмой 38 конденсатор и первичную обмотку 39х третьего 39 трансформатора подключен к общей шине, первый вывод вторичной обмотки 39 трансформатора 39 подключен к первому выводу восьмого 40 конденсатора, второй вывод которого подключен через встречно включенный пятый 41 диод ко второму выводу вторичной 39 обмотки трансформатора 39 и к общей шине, точка соединения восьмого 40 конденсатора и пятого 41 диода подключена к первому выводу второго 42 резистора, шунтированного шестым 43 диодом во встречном направлении, второй вывод его подключен ко второму выходу блока 15 управления.
В качестве комплектующих элементов в преобразователе используются широко применяемые в промышленности электрорадиоэлементы. Силовые ключи 2, 3, 6, 7  могут быть реализованы на МОП-транзисторах, шунтированных диодами в прямом направлении, фильтр 12  реализован на LC-элементах, элемент 13 обратной связи может быть реализован на резистивном делителе напряжения.
Преобразователь работает следующим образом.
Силовые ключи 2 и 3 коммутируются поочередно с постоянной частотой и одинаковым коэффициентом заполнения D, который можно изменять от 0 до 50% для управления выходным напряжением. При описании принципа работы считаем силовые ключи, выпрямительные диоды идеальными - безинерционными (с нулевым падением напряжения на них в проводящем состоянии), конденсаторы 4 и 5 полумоста и конденсатор фильтра 12 также имеют нулевое последовательное сопротивление, их емкость считается достаточно большой, чтобы пульсациями напряжения на них можно было бы пренебречь.
Задающий генератор 16 (фиг. 3) формирует короткие тактовые импульсы (фиг. 4а) с частотой, равной удвоенной частоте коммутации преобразователя. Импульсы с выхода генератора 16 поступают на вход триггера 17, на прямом и инверсном выходах которого формируются напряжения (фиг. 4б, в) с частотой, равной частоте коммутации преобразователя, и на вход ключа 18, который во время импульса разряжает первый 19 конденсатор (заряженный от источника 20 постоянного тока во время паузы между импульсами генератора 16). Таким образом, на конденсаторе 19 формируется пилообразное напряжение (фиг. 4г) с частотой, равной удвоенной частоте коммутации преобразователя. Пилообразное напряжение поступает на инвертирующий вход блока 21 сравнения. На прямой вход его поступает напряжение с выхода усилителя 22 ошибки, на инвертирующий вход (вход блока 15 управления) которого подается напряжение с элемента 13 обратной связи, на прямой вход усилителя 22 подается опорное напряжение от источника 23. На выходе блока 21 сравнения формируются импульсы (фиг. 4д) с частотой, равной удвоенной частоте коммутации преобразователя, продолжительность их зависит от величины напряжения на выходе усилителя 22 ошибки. Импульсы с выхода блока 21 поступают на первые входы логических элементов И 24, 25, на вторые входы их поступают импульсы с выходов триггера 17. На выходах логических элементов 24, 25 поочередно появляются импульсы, соответствующие частоте коммутации преобразователя, которые поступают на первичные обмотки соответствующих трансформаторов 33 и 39 и служат для управления силовыми ключами 2 и 3. Напряжение с прямого выхода триггера 17 (фиг. 4б) поступает на вход трансформатора 27, формирующего управляющие напряжения для третьего 6 и четвертого 7 силовых ключей.
9
1
8
вх,
9
9
8
Считаем, что при подаче питания (фиг. 2) первый 2 силовой ключ выключен, четвертый 7 силовой ключ включен. Ток I первичной обмотки 9 трансформатора 9, поддерживаемый индуктивностью 8, перезаряжает паразитные емкости силовых ключей 2, 3, 6 и 7, напряжение U на входе индуктивности 8 понижается. Когда оно достигнет уровня 1/2 U отпирается встроенный диод третьего 6 силового ключа и ток I, протекает через третий 6 и открытый четвертый 7 силовые ключи. Обмотки трансформатора 9 зашунтированы теперь не одновременно проводящими диодами 10 и 11, а через индуктивность 8 силовыми ключами 6 и 7. Ток дросселя фильтра 12 за время паузы (интервал времени между проводимостью силовых ключей 2 и 3) уменьшается с учетом величины индуктивности 8, приведенной к вторичной стороне, но в связи с ее малостью по сравнению с величиной индуктивности дросселя 12 этой величиной можно пренебречь. За малое время до окончания паузы третий 6 силовой ключ выключается, ток I перезаряжает паразитные емкости ключей 2, 3, 6 и 7. Напряжение U уменьшается до нуля, отпирается встроенный диод второго 3 силового ключа, и падение напряжения на втором 3 силовом ключе во время его включения поддерживается на нулевом уровне. Таким образом, обеспечиваются нулевые динамические потери при включении силовых ключей 2, 3. Переключение от второго 3 силового ключа к первому 2 происходит аналогично.
9
9
вх
9
9
9
8
8
вх
9
1
8
вх
9
В момент окончания тактового импульса (фиг. 3, 4) переключаются напряжения на выходе триггера 17, в результате чего включается четвертый 7 силовой ключ, через встроенный диод которого протекал ток I первичной обмотки трансформатора 9, запирается третий 6 силовой ключ. Отпирающее напряжение с задержкой, определяемой первым 35 резистором, подается на управляющий вход первого 2 силового ключа. После запирания третьего 6 силового ключа интервал проводимости силовых ключей 6 и 7 завершается, ток I начинает перезаряжать паразитные емкости силовых ключей 2, 3, 6 и 7, и напряжение на входе индуктивности 8 растет. Когда оно становится равным величине входного напряжения U, ток начинает протекать через встроенный диод первого 2 силового ключа и начинается интервал проводимости первого 2 силового ключа. Включение его происходит при нулевом падении напряжения на нем, следовательно, с нулевыми потерями. За время открытого первого 2 силового ключа происходит быстрое изменение тока I (скорость изменения тока I в основном определяется величиной индуктивности дросселя фильтра 12), а ток второго 11 диода уменьшается до нуля, диод 11 запирается и перестает шунтировать вторичную обмотку трансформатора 9. Когда напряжение на инвертирующем входе блока 21 сравнения становится больше номинального выходного напряжения преобразователя (напряжение ошибки), на выходе блока 21 сравнения появится «логический нуль» и первый 2 силовой ключ быстро закрывается (интервал проводимости его завершается). Ток I в первичной обмотке трансформатора 9 в этот момент имеет положительное направление, и в результате перезаряда паразитных емкостей силовых ключей 2, 3, 6 и 7 напряжение U в точке соединения первого 2 и второго 3 силовых ключей уменьшится. Когда величина U становится равной 1/2 U,ток I начинает протекать через включенный четвертый 7 силовой ключ и через встроенный диод третьего 6 силового ключа. Начинается интервал проводимости силовых ключей 6, 7, которые шунтируют первичную обмотку 9 трансформатора 9, при этом удерживая напряжение U на уровне 1/2 U и препятствуя, таким образом, быстрому изменению тока I, удерживая его на нужном уровне до начала следующего полупериода. В момент окончания следующего тактового импульса переключаются напряжения на выходе триггера 17 и начинается вторая половина коммутации, аналогичная первой.
9
Таким образом, для случая, когда индуктивность рассеивания трансформатора не равна нулю, динамические потери за счет конечной скорости включения силовых ключей 2 и 3 уменьшились, т.к. ток I при их включении равен нулю. При выключении, если паразитная емкость силовых ключей достаточно велика, чтобы за время выключения силовых ключей падение напряжения на емкости не изменилось, динамические потери отсутствуют, что способствует повышению кпд.
Введение индуктивности дополнительных ключей, которые шунтируют первичную обмотку трансформатора на время паузы между интервалами проводимости силовых ключей 2 и 3 и выключаются за короткое время перед включением ключа 2 или 3, обеспечивает включение их при нулевом падении напряжения, следовательно, с нулевыми динамическими потерями.