ДВУХТАКТНЫЙ РЕЗОНАНСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ
TWO-STROKE RESONANCE VOLTAGE CONVERTER

Предлагаемое устройство относится к силовой преобразовательной технике и предназначено для преобразования и регулирования энергии, потребляемой от источника постоянного тока, и передачи преобразованной энергии ее приемнику с использованием трансформаторной связи между цепями источника и приемника энергии.
Известен двухтактный преобразователь напряжения резонансного типа (патент РФ №2455746 «Двухтактный мостовой преобразователь» по заявке №2010118703 от 12.05.2010. Опубликовано 10.07.2012. Автор: Глебов Б.А. Патентообладатель: ЗАО «Связьинжиниринг» (RU)). В известном устройстве содержатся:
Электрическая цепь в виде первой и второй ветвей, каждая из которых включена между шинами питания и образована двумя соединенными последовательно силовыми ключами с управляемой прямой проводимостью и неуправляемой инверсной проводимостью (например, полевыми транзисторами). Электрическая цепь, кроме того, содержит также первый и второй дроссели, и один вывод обмотки первого из указанных дросселей подключен к точке соединения силовых ключей первой ветви, а один вывод обмотки второго из дросселей подключен к точке соединения силовых ключей второй ветви.
Первую первичную обмотку, магнитно связанную с вторичной обмоткой, подключенной к нагрузке, и вторую первичную обмотку, магнитно связанную с вторичной обмоткой, подключенной к нагрузке.
Конденсатор и четыре диода: первый, второй, третий и четвертый.
При этом первая первичная обмотка, упомянутый конденсатор и вторая первичная обмотка, образуют трехзвенную последовательную электрическую цепь. В ней первая и вторая первичные обмотки силового трансформатора включены согласно. Первый вывод конденсатора связан с первой и второй шинами питания соответственно через первый и второй диоды, а второй вывод конденсатора связан с первой и второй шинами питания соответственно через третий и четвертый диоды.
К первому выводу трехзвенной последовательной электрической цепи подключен второй вывод обмотки первого дросселя, а ко второму выводу трехзвенной последовательной электрической цепи подключен второй вывод обмотки второго дросселя.
В первом варианте известного устройства первичные обмотки, связанные магнитно с вторичной обмоткой, подключенной к нагрузке, объединены общим магнитопроводом, на котором размещена эта вторичная обмотка, и все перечисленные обмотки вместе с магнитопроводом образуют единый трансформатор.
В другом варианте известного устройства каждой первичной обмотке и вторичной обмотке, связанной с ней магнитно, соответствует отдельный магнитопровод, который вместе с размещенными на нем обмотками образуют отдельный трансформатор.
Нагрузка постоянного тока, параллельно которой включен конденсатор выходного фильтра, соединена с вторичной обмоткой силового трансформатора через выпрямитель.
Нагрузка переменного тока соединена с вторичной обмоткой силового трансформатора непосредственно.
Недостатком известного устройства является ограниченность выходной мощности, связанная с ограниченной нагрузочной способностью элементной базы, используемой в устройстве.
Целью предлагаемых технических решений является повышение выходной мощности устройства при условии ограниченности нагрузочной способности используемой в нем элементной базы. Другая цель - повышение надежности путем уменьшения нагрузки по току или мощности на элементы устройства.
Поставленная цель достигается тем, что в двухтактный резонансный преобразователь напряжения введены одна или несколько дополнительных электрических цепей в виде первой и второй ветвей. Каждая из них включена между шинами питания и образована двумя соединенными последовательно силовыми ключами с управляемой прямой проводимостью и неуправляемой инверсной проводимостью, а также в виде первого и второго дросселей. Один вывод обмотки первого из указанных дросселей подключен к точке соединения силовых ключей первой ветви, а один вывод обмотки второго дросселя подключен к точке соединения силовых ключей второй ветви.
В каждой из дополнительных электрических цепей второй вывод обмотки первого дросселя соединен с первым выводом упомянутой трехзвенной последовательной электрической цепи, а второй вывод обмотки второго дросселя соединен со вторым выводом этой трехзвенной последовательной электрической цепи.
Кроме того, с целью уменьшения загрузки силовых трансформаторов по мощности, в предлагаемое устройство введены один или несколько дополнительных трансформаторов. Первые первичные обмотки всех трансформаторов устройства соединены последовательно и включены в первое звено трехзвенной последовательной электрической цепи. Вторые первичные обмотки всех трансформаторов соединены последовательно и включены в третье звено трехзвенной последовательной электрической цепи. При этом первичные обмотки, включенные в первое и третье звенья, соединены согласно.
В первом варианте предлагаемого устройства, изображенном на фиг. 1, к шинам питания 1 и 2 (положительной и отрицательной) подключен источник питания 3. Между этими шинами включена первая электрическая цепь в виде двух ветвей. Одна из них образована двумя соединенными последовательно силовыми ключами 4 и 5, другая - соединенными последовательно силовыми ключами 6 и 7. В первой электрической цепи присутствуют два дросселя 8 и 9 с одинаковой индуктивностью обмоток. Условие иметь строгое равенство не является обязательным. Однако для упрощения описания физических процессов считается, что индуктивности равны.
Силовые ключи 4, 5, 6 и 7 обладают управляемой прямой проводимостью и неуправляемой инверсной проводимостью. В дальнейшем силовые ключи с такими свойствами на всех чертежах, относящихся к разным вариантам выполнения предлагаемого устройства, изображены в виде полевых транзисторов. Этот класс полупроводниковых приборов характеризуются управляемой проводимостью для токов прямого направления и постоянно присутствующей высокой проводимостью для токов инверсного направления. Управление прямой проводимостью обеспечивается сигналами, задаваемыми во входные цепи полевых транзисторов.
Независимо от реального вида применяемых в предлагаемом устройстве силовых ключей, обязательным условием является подобие их свойств указанным выше свойствам полевых транзисторов. Далее в описании с целью сокращения термин «силовой ключ с управляемой прямой проводимостью и неуправляемой инверсной проводимостью» замещается термином «силовой транзистор».
Первый силовой трансформатор 10 устройства, изображенного на фиг. 1, выполнен с первой и второй первичными обмотками 11 и 12. Обмотки обладают одинаковыми числами витков и гальванически отделены одна от другой.
В устройстве на фиг. 1 сформирована трехзвенная последовательная электрическая цепь, которая образована первой первичной обмоткой 11 упомянутого силового трансформатора 10 (первое звено), конденсатором 13 (второе звено), и второй первичной обмоткой 12 (третье звено). Эти элементы соединены. последовательно, причем первичные обмотки 11 и 12 включены согласно. Второй вывод обмотки дросселя 8 непосредственно соединен с первым выводом указанной последовательной электрической цепи (с началом первой первичной обмотки 11 первого силового трансформатора 10), а второй вывод обмотки дросселя 9 непосредственно соединен со вторым выводом этой цепи (с концом второй первичной обмотки 12 первого силового трансформатора 10).
Первый вывод конденсатора 13 подключен к шинам питания 1 и 2 через диоды 14 и 15, а второй вывод этого конденсатора - через диоды 16 и 17.
В предлагаемое устройство введены одна или несколько дополнительных электрических цепей. Топология дополнительных электрических цепей аналогична топологии первой электрической цепи. Она рассмотрена выше и содержит силовые транзисторы 4, 5, 6 и 7, а также дроссели 8 и 9.
Предлагаемое устройство, представленное на фиг. 1, выполнено с одной дополнительной электрической цепью. Она включает в себя первую ветвь в виде соединенных последовательно силовых транзисторов 18 и 19, вторую ветвь в виде соединенных последовательно силовых транзисторов 20 и 21, а также два дросселя 22 и 23. Обмотки дросселей обладают примерно одинаковой индуктивностью. Для упрощения описания процессов индуктивности этих обмоток считаются одинаковыми.
Один вывод обмотки первого дросселя 22 подключен к точке соединения транзисторов 18 и 19 первой ветви, а второй вывод обмотки этого дросселя непосредственно соединен с первым выводом трехзвенной последовательной электрической цепи (с началом первой первичной обмотки 11 первого силового трансформатора 10). Один вывод обмотки второго дросселя 23 подключен к точке соединения транзисторов 20 и 21 второй ветви, а второй вывод обмотки этого дросселя непосредственно соединен со вторым выводом трехзвенной последовательной электрической цепи (с концом второй первичной обмотки 12 первого силового трансформатора 10).
Вторичная обмотка 24 силового трансформатора 10 через выпрямитель 25 подключена к конденсатору 26 выходного фильтра, параллельно которому включена нагрузка постоянного тока 27.
Принцип регулирования потока энергии, передаваемой от источника питания 3 в нагрузку 27, основан на использовании колебательного характера электрических процессов, возникающих при работе устройства и обусловленных присутствием в нем элементов LC-цепи. Элементы LC-цепи включают в себя:
индуктивности обмоток дросселей 8, 22, …, которые подключены к первому выводу упомянутой трехзвенной последовательной электрической цепи (к началу первой первичной обмотки 11 первого силового трансформатора 10);
конденсатор 13;
индуктивности обмоток дросселей 9, 23, …, которые подключены ко второму выводу упомянутой трехзвенной последовательной электрической цепи (к концу второй первичной обмотки 12 первого силового трансформатора 10).
Силовые транзисторы 4 и 7 первой упомянутой электрической цепи и силовые транзисторы 18 и 21 дополнительной электрической цепи действием сигналов, формируемых устройством управления, переводятся в состояние высокой проводимости во время нечетных тактов работы (1-й, 3-й, 5-й, …).
Силовые транзисторы 5 и 6 первой упомянутой электрической цепи и силовые транзисторы 19 и 20 дополнительной электрической цепи действием сигналов, формируемых устройством управления, переводятся в состояние высокой проводимости во время четных тактов работы (2-й, 4-й, 6-й, …).
res
Длительности сигналов, управляющих силовыми транзисторами, почти совпадают с длительностью соответствующих тактов. Вариацией частоты повторения сигналов управления обеспечивается регулирование мощности, потребляемой от источника питания 3 и передаваемой первым силовым трансформатором 10 в нагрузку 27. Нижняя граница диапазона варьируемой рабочей частоты ƒ чуть выше, чем резонансная частота ƒ, определяемая параметрами LC-цепи. При повышении рабочей частоты преобразователя происходит уменьшение его выходной мощности (см., например, описание патента РФ №2455746).
Устройством управления обеспечивается «технологическая» задержка появления сигналов, формируемых в каждом данном такте, по отношению к завершению сигналов управления, сформированных в предшествующем такте.
Окончанием сигналов обеспечивается запирание силовых транзисторов, которые в предыдущем такте были в состоянии высокой проводимости. Из-за «технологической» задержки появления сигналов, формируемых в очередном такте, образуется интервал, в течение которого все силовые транзисторы схемы заперты. Соответственно на этом интервале разрывается связь между средними точками соединенных последовательно силовых транзисторов всех ветвей схемы с шинами питания 1 и 2.
Ток LC-цепи, благодаря энергии, запасенной к моменту окончания предыдущего такта в магнитных накопителях (дросселях) LC-цепи, продолжает некоторое время протекать в том же направлении, какое было в момент запирания тех силовых транзисторов, что были в состоянии прямой проводимости в момент непосредственно перед окончанием сигналов управления в предыдущем такте. Этим током перезаряжаются емкости силовых транзисторов.
На интервале перезаряда емкостей силовых транзисторов в течение короткого промежутка времени происходит постепенное понижение потенциалов тех средних точек ветвей 1-й и 2-й электрических цепей на фиг. 1, которые в течение предыдущего такта были «привязаны» к высокому потенциалу шины 1. Указанная привязка была осуществлена через силовые транзисторы, подключенные к этой шине, которые были в состоянии высокой проводимости в предыдущем такте. Например, если предыдущий такт был четным, то высокое значение потенциала в начале интервала перезаряда имеет место на средних точках тех ветвей, которые были подключены к шине 1 через силовые транзисторы 6 и 20. Когда понижающийся потенциал средней точки достигнет небольшого отрицательного значения, в состояние инверсной проводимости перейдут силовые транзисторы, выходная цепь которых находится между указанной средней точкой и шиной 1. Если предыдущий такт был нечетным, то в состояние инверсной проводимости перейдут силовые транзисторы 7 и 21.
Одновременно с рассмотренным процессом на интервале перезаряда емкостей силовых транзисторов в течение короткого промежутка времени происходит постепенное повышение потенциалов тех средних точек ветвей 1-й и 2-й электрических цепей на фиг. 1, которые в течение предыдущего такта были «привязаны» к нулевому потенциалу шины 2. Указанная привязка была осуществлена через силовые транзисторы, подключенные к этой шине, которые были в состоянии высокой проводимости в предыдущем такте. Например, если предыдущий такт был четным, то низкое значение потенциала (близкое к нулю) в начале интервала перезаряда имеет место на средних точках тех ветвей, которые были подключены к шине 2 через силовые транзисторы 5 и 19. Когда повышающийся потенциал средней точки незначительно превысит положительный потенциал шины 1, в состояние инверсной проводимости перейдут силовые транзисторы, выходная цепь которых находится между указанной средней точкой и шиной 1. Если предыдущий такт был нечетным, то в состояние инверсной проводимости перейдут силовые транзисторы 4 и 18.
Процесс перезаряда емкостей силовых транзисторов занимает столь незначительное время в сравнении с периодом работы, что длительностью этого процесса можно пренебречь. Поэтому без существенной погрешности можно считать, что практически сразу за запиранием одной пары силовых транзисторов в каждой из электрических цепей на фиг. 1 в состояние инверсной проводимости переходит другая пара.
На интервале проводящего состояния силовых транзисторов 4 и 18 (продолжительность этого интервала практически равна половине периода работы схемы) потенциалы первых выводов обмоток дросселей 8 и 22 (начал обмоток) практически равны положительному потенциалу первой шины 1. Вторые выводы этих обмоток (концы) непосредственно соединены друг с другом и подключены к первому выводу трехзвенной последовательной электрической цепи.
На интервале проводящего состояния силовых транзисторов 5 и 19 (продолжительность этого интервала также практически равна половине периода) потенциалы первых выводов обмоток дросселей 8 и 22 (начал обмоток) практически равны нулевому потенциалу второй шины 2. Вторые выводы этих обмоток (концы) непосредственно соединены друг с другом и подключены ко второму выводу трехзвенной последовательной электрической цепи. Таким образом, обмотки дросселей 8 и 22 в течение каждого периода работы фактически соединены параллельно.
На основании аналогичных соображений можно говорить о фактически параллельном соединении обмоток дросселей 9 и 23.
Для упрощения принимается равенство индуктивностей обмоток всех дросселей в предлагаемой схеме.
res
res
Если в резонансном преобразователе напряжения дополнительные электрические цепи отсутствуют, то эта схема полностью повторяет предложенную в патенте РФ №2455746. При значениях индуктивностей обмоток дросселей 8 и 9, равных L/2, и значении емкости конденсатора 13, равном C, резонансная частота LC-цепи составляет величину
aec
Если N - число дополнительных электрических цепей (additional electrical circuits) в схеме, то значение  имеет эквивалентная индуктивность магнитного накопителя, подключенного к первому выводу трехзвенной последовательной электрической цепи (к началу первой первичной обмотки 11 первого силового трансформатора 10). Такое же значение эквивалентной индуктивности магнитного накопителя, который подключен ко второму выводу трехзвенной последовательной электрической цепи (к концу второй первичной обмотки 12 первого силового трансформатора 10). В результате значение полной индуктивности магнитного накопителя LC-цепи равно
eq
res
eq
res
aec
Если индексом C обозначить емкость конденсатора 13 предлагаемой схемы преобразователя, то резонансная частота LC-цепи определяется равенством  Она будет равна значению ƒ, если принять C=C⋅(1+N).
res
res
res
Параллельное соединение обмоток дросселей означает, что их токи пропорциональны, а коэффициент пропорциональности равен отношению индуктивностей обмоток. Принимается, что ƒ'=ƒ, и значения индуктивности обмоток всех дросселей одинаковы и равны L/2. В этих условиях одинаковы в каждый момент времени мгновенные значения токов обмоток всех дросселей. Как следствие, одинаковы также и средние значения токов на интервале их протекания в данном направлении.
aec
Применительно к предлагаемой схеме на фиг. 1, для которой N=1, токи, задаваемые в первичные обмотки 11 и 12 основного силового трансформатора 10, возрастают в два раза по отношению к схеме, описанной в патенте РФ №2455746. Это обусловлено присутствием в предлагаемом устройстве дросселей 22 и 23, токи обмоток которых суммируются с равными им токами обмоток дросселей 8 и 9. Соответственно в два раза возрастает выходная мощность устройства в сравнении со схемой по патенту РФ №2455746.
aec
Путем возрастания числа N можно кратно увеличивать выходную мощность устройства, что соответствует первой поставленной задаче настоящего изобретения.
res
res
res
Если в схеме на фиг. 1 принять, что ƒ'=ƒ, а индуктивности обмоток всех дросселей одинаковы и равны L, то амплитуда тока в этих обмотках будет в два раза меньше, чем в схеме по патенту РФ №2455746. Тем самым вдвое сокращается загрузка по току силовых транзисторов при равной выходной мощности устройства. Это соответствует второй поставленной задаче настоящего изобретения, т.е. повышению надежности.
Устройство, представленное на фиг. 2, по построению, принципу действия и достижению поставленных целей аналогично рассмотренному выше, которое изображено на фиг. 1. Оно отличается от него только тем, что передает мощность в нагрузку переменного тока 28, которая непосредственно подключена к вторичной обмотке 24 первого силового трансформатора 10.
Устройство, представленное на фиг. 3, по построению, принципу действия и достижению поставленных целей аналогично рассмотренному выше, которое изображено на фиг. 1. Оно отличается от него только тем, что передает мощность в нагрузку постоянного тока 27 двумя одинаковыми трансформаторами 29 и 30. Первичная обмотка 31 трансформатора 29 образует первое звено трехзвенной последовательной электрической цепи, конденсатор 13 - второе звено, а первичная обмотка 32 трансформатора 30 образует третье звено этой цепи. В трехзвенной последовательной электрической цепи первичные обмотки 31 и 32 включены согласно.
Вторичная обмотка 33 трансформатора 29 подключена к конденсатору 26 выходного фильтра через выпрямитель 34, а вторичная обмотка 35 трансформатора 30 подключена к этому конденсатору через выпрямитель 36. Параллельно конденсатору 26 включена нагрузка постоянного тока 27 устройства.
Устройство, представленное на фиг. 4, по построению, принципу действия и достижению поставленных целей аналогично рассмотренному выше, которое изображено на фиг. 1. Оно отличается от него только тем, что передает мощность в нагрузку переменного тока 28 двумя одинаковыми трансформаторами 29 и 30. Первичная обмотка 31 трансформатора 29 образует первое звено трехзвенной последовательной электрической цепи, конденсатор 13 - второе звено, а первичная обмотка 32 трансформатора 30 образует третье звено этой цепи. В трехзвенной последовательной электрической цепи первичные обмотки 31 и 3 2 включены согласно.
Вторичная обмотка 33 трансформатора 29 и вторичная обмотка 35 трансформатора 30 соединены параллельно, причем одноименные выводы обмоток соединены накоротко друг с другом. Соединенные накоротко выводы подключены к нагрузке переменного тока 28 устройства.
Устройство, представленное на фиг. 5, по построению, принципу действия и достижению поставленных целей аналогично рассмотренному выше, которое изображено на фиг. 1. Оно отличается от него только тем, что передает мощность в нагрузку постоянного тока 27 двумя одинаковыми силовыми трансформаторами 10 и 36. При этом каждый из них передает половину выходной мощности устройства, тогда как силовой трансформатор схемы на фиг. 1 передает полную выходную мощность. Тем самым достигается увеличение надежности устройства, благодаря уменьшению загрузки трансформаторов по мощности.
Соединенные последовательно первые первичные обмотки 11 и 37 силовых трансформаторов 10 и 36 образуют первое звено трехзвенной последовательной электрической цепи, конденсатор 13 - второе звено, а соединенные последовательно вторые первичные обмотки 12 и 38 образуют третье звено. В трехзвенной последовательной электрической цепи все первичные обмотки включены согласно.
В первом силовом трансформаторе его вторичная обмотка 24 подключена к конденсатору 26 выходного фильтра и нагрузке 27 постоянного тока, соединенным параллельно, через выпрямитель 25. Во втором силовом трансформаторе 36 его вторичная обмотка 39 подключена к конденсатору 26 выходного фильтра и нагрузке 27, через выпрямитель 40.
Путем увеличения числа силовых трансформаторов (три, четыре, …) можно уменьшить долю мощности, передаваемой каждым трансформатором, по отношению к полной выходной мощности устройства.
Вид вторичных обмоток силовых трансформаторов (однофазные или двухфазные), а также конструкция выпрямителей (мостовая схема или схема с двумя вентильными элементами и, кроме того, вид применяемых вентильных элементов) не являются существенными признаками предлагаемого устройства. На всех чертежах вторичные обмотки обозначены как однофазные. Им соответствуют мостовые схемы выпрямителей.