ОБРАТИМЫЙ ТРАНСФОРМАТОРНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ КОНВЕРТОР

Полезная модель относится к электротехнике и к импульсной силовой электронике и предназначена для использования в качестве двунаправленного (обратимого) преобразователя постоянных напряжений в источниках бесперебойного питания от аварийной аккумуляторной батареи и системы распределения постоянного повышенного напряжения, например, космического аппарата, а также в автономных системах электропитания от батареи суперконденсаторов (ионистров).
Известны обратимый трансформаторный импульсный конвертор (аналог), содержащий внешние выводы для подключения источника электропитания и нагрузки, зашунтированные фильтровыми конденсаторами, двухобмоточный трансформаторный реактор (трансреактор), входной однотактный и выходной импульсные мостовые модулятор и коммутатор, гальванически соединенные выходами между собой через обмотки реактора, две дополнительные диодно-ключевые стойки и блок управления с цепями обратных связей по внешним токам и напряжениям и с импульсно-модуляторными выводами (С.Б. Резников, В.В. Бочаров, А.В. Лавринович, И.А. Харченко. Унифицированно-модульный синтез силовых интегральных схем многофункциональных импульсных преобразователей для авиационно-космических комбинированных систем электроснабжения переменно-постоянного тока. Часть 2. Практическая силовая электроника, №1 (57), 2015 г., с. 46-54, с. 51, рис. 2а).
К недостаткам указанного известного устройства (аналога), относятся: отсутствие гальванической развязки между входом и выходом, а также низкие КПД и надежность из-за большого числа силовых электронных ключей (десяти) и соответствующих элементов блока управления (драйверов и др.).
Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сути является обратимый трансформаторный импульсный конвертор (прототип), содержащий те же, перечисленные выше, узлы и элементы, кроме двух дополнительных диодно-ключевых стоек (см. там же, с. 51, рис. 2б). В нем, по сравнению с аналогом, обеспечена гальваническая развязка между входом и выходом.
К недостатку указанного известного устройства (прототипа) относится низкий КПД из-за большого числа силовых электронных ключей (восьми) и увеличенных потерь энергии при ее трансформации в реакторе.
Основным техническим результатом предложения является повышение КПД устройства за счет снижения тепловых потерь в полупроводниковых элементах. Дополнительными техническими результатами являются: повышение надежности и удельной мощности (на единицу массы и объема) устройства за счет улучшения массогабаритных показателей устройств теплоотвода.
Указанные технические результаты обеспечиваются благодаря тому, что в обратимом трансформаторном импульсном конверторе, содержащем внешние выводы для подключения источника электропитания и нагрузки, зашунтированные фильтровыми конденсаторами, двухобмоточный трансформаторный реактор, входной однотактный и выходной импульсные мостовые модулятор и коммутатор, состоящие каждый из двух диодно-ключевых стоек, а также блок управления с цепями обратных связей и с основными импульсно-модуляторными выводами, модулятор и коммутатор ВЫПОЛНЕНЫ по схемам косых мостов, в первом из которых ключ первой диодно-ключевой стойки, а во втором - ключи обеих стоек ЗАШУНТИРОВАНЫ обратными диодами, и в устройство ВВЕДЕНА дроссельно-конденсаторная стойка, и благодаря тому, что в его коммутатор ВВЕДЕНЫ заземляющий диод и двухдроссельная демпферная стойка.
Экспериментальные исследования лабораторного макета и компьютерное моделирование предлагаемого устройства подтвердили его работоспособность и целесообразность широкого промышленного использования.
На чертеже приведены принципиальная силовая схема и каналы управления предлагаемого обратимого трансформаторного импульсного конвертора.
Обратимый трансформаторный импульсный конвертор содержит входные и выходные внешние выводы 1-2 и 3-4, включая заземленные, для подключения источника электропитания и нагрузки с постоянными напряжениями, зашунтированные фильтровыми конденсаторами 5 и 6, двухобмоточный трансформаторный реактор 7-8 (трансреактор), входной однотактный импульсный мостовой модулятор 9 и также однотактный выходной импульсный мостовой коммутатор 10. Указанные мостовые модулятор и коммутатор состоят каждый из двух диодно-ключевых (двухплечевых) стоек 11-12, 13-14 и 15-16, 17-18. Кроме этого устройство содержит блок управления 19 с цепями 20, 21 обратных связей по внешним токам и напряжениям и с импульсно-модуляторными выводами 22. Модулятор и коммутатор выполнены по схемам косых мостов с чередованием по контуру диодов с ключами. При этом в модуляторе ключ первой диодно-ключевой стойки, а в коммутаторе - ключи обеих стоек зашунтированы обратными диодами 23, 24, 25. Модулятор так же содержит дроссельно-конденсаторную стойку 26-27, а коммутатор также содержит заземляющий диод 28 и двухдроссельную демпферную стойку 29-30.
Пары диодно-ключевых стоек 11-12, 13-14 и 15-16, 17-18 в модуляторе 9 и в коммутаторе 10 в каждом включены между собой параллельно своими крайними выводами и подключены ими к выводам соответствующей (первичной и вторичной) обмотки 7 и 8 реактора, а своими средними выводами (в коммутаторе - непосредственно, а в модуляторе - через конденсатор 27) - к соответствующим внешним (входным и выходным) выводам 1-2 и 3-4 устройства. Дроссельно-конденсаторная стойка 26-27 шунтирует своими крайними выводами ключ 14 второй диодно-ключевой стойки 13-14 модулятора 9 и подключена своим средним выводом к объединенным заземленному второму входному выводу 2 устройства и выводу первичной обмотки 7 реактора. Импульсно-модуляторные выводы 22 блока управления 19 подключены к управляющим выводам ключей модулятора 9 коммутатора 10. Двухдроссельная демпферная стойка 29-30 подключена своим средним выводом к выводу вторичной обмотки 8 реактора, а крайними выводами включена между силовым выводом ключа 16 первой диодно-ключевой стойки 15-16 коммутатора 10, заземленным через заземляющий диод 28, и выводом обратного диода 24, шунтирующего этот ключ через эту демпферную стойку.
В качестве электронных ключей модулятора 9 и коммутатора 10 используются транзисторные ключи или двухоперационные (запираемые по управлению) тиристоры. При этом в качестве ключа 12 с диодом 23 может использоваться MOSFET-транзистор, а в качестве ключа 16 может использоваться, например, IGBT-транзистор с внутренним обратно-блокирующим диодом (RB-IGBT).
ШИМ
И
И
ШИМ
И
Обратимый трансформаторный импульсный конвертор работает следующим образом. К входным выводам 1-2 устройства подключают источник электропитания с постоянным относительно низким напряжением, например, резервную аккумуляторную батарею с напряжением 27 В авиабортовой системы электроснабжения. К выходным выводам 3-4 устройства подключают нагрузку с постоянным напряжением, например, систему распределения постоянного повышенного напряжения 100 В (270 В или 540 В) той же системы электроснабжения. На основных импульсно-модуляторных выводах 22 блока управления 19 формируются высокочастотные прямоугольные широтно-модулируемые импульсы с постоянным периодом (Т) и с регулируемой длительностью импульса: t=γТ, где γ - регулируемый коэффициент заполнения импульса.
1-2
3-4
3-4
1-2
ШИМ
И
И
ШИМ
П
П
ШИМ
П
ШИМ
И
П
И
П
ШИМ.
Устройство способно работать как в режиме прямого преобразования: от выводов 1-2 к выводам 3-4 (например, с повышением напряжения U=27 В до напряжения U=270 В (или 540 В)), так и в режиме обратного преобразования: от выводов 3-4 к выводам 1-2 (например, с понижением напряжения U до U для зарядки аккумуляторной батареи). Рассмотрим эти режимы на трех чередующихся интервалах (этапах) произвольного периода (Т): а) интервал нарастания полного потокосцепления (dΨ/dt>0) реактора 7-8 с длительностью: t=γТ; б) интервал приблизительного сохранения указанного потокосцепления (dΨ/dt≈0) с длительностью токозамыкающей паузы: t=γТ, где γ - относительная длительность паузы и в) интервал частичного (или полного) спадания потокосцепления (dΨ/dt<0) с длительностью: T-t-t=(1-γ-γ)Т
1-2
3-4
1. Режим прямого преобразования (от U к U). В этом режиме сначала ток в первичной обмотке 7 реактора нарастает в цепях 1-12-7-2 и 8-29-24-6-25-8, частично передавая энергию в нагрузку (прямоходовая трансформация), а в основном - накапливая ее в реакторе. Затем, после выключения ключа 12, большая часть тока обмотки 7 скачкообразно переключается в коротко-замкнутый контур 8-18-17-8, а малозначительная часть, определяемая ЭДС самоиндукции индуктивности рассеяния обмотки 7, замыкается в цепи 7-27-13-7 (передавая остаточную энергию магнитного потока рассеяния конденсатору 27 для дальнейшей ее рекуперации (возвращению) в фильтровый конденсатор 5), после чего полное потокосцепление реактора частично (или полностью) спадает вместе с током в цепи 8-15-6-17-8, передавая часть электромагнитной энергии реактора нагрузке.
Заметим, что наличие промежуточной токозамыкающей паузы позволяет существенно повысить КПД процесса накопления и передачи электромагнитной энергии реактора, уменьшая дозу энергии, рекуперирующую в конденсатор 27 и определяющую внутреннюю реактивную мощность устройства.
Рекуперация энергии рассеяния реактора, накапливаемой в конденсаторе 27, в фильтровый конденсатор 5 осуществляется с помощью широтно-импульсного полярно-инвертирующего импульсного модулятора, образованного ключом 14, дросселем 26 и диодом 11 и работающего при любом соотношении напряжений на конденсаторах 5 и 27.
3-4
1-2
2. Режим обратного преобразования (от U к U). В этом режиме сначала ток во вторичной обмотке 8 реактора нарастает в цепях 3-16-30-8-18-4 и 7-23-5-7 (за счет прямоходовой трансформаторной ЭДС), частично передавая энергию в конденсатор 5, а в основном - накапливая ее в реакторе. Затем после выключения ключей 16, 18 основная часть тока скачкообразно переключается в цепь первичной обмотки 7, спадая по цепи 7-27-13-7 и осуществляя зарядку конденсатора 27, а незначительная часть тока, определяемая ЭДС самоиндукции индуктивности рассеяния обмотки 8 и дросселя 30, спадает по цепям 8-15-6-17-8 и 30-8-15-6-28-30, возвращая энергию рассеяния в фильтровый конденсатор 6. Далее эти процессы повторяются, одновременно с чем происходит передача (рекуперация) энергии конденсатора 27 во входную цепь (зарядка аккумуляторной батареи и фильтрового конденсатора 5) с помощью полярно-инвертирующей модуляции в цепи с ключом 14, дросселем 26 и диодом 11.
Заметим, что в обоих режимах процессы скачкообразного переключения токов не противоречат первому закону коммутации для цепей со взаимно-индуктивными катушками, т.к. при этом полное потокосцепление (Ψ) двухобмоточного реактора 7-8 изменяется плавно (без скачков).
По сравнению с прототипом (в котором восемь силовых диодно-ключевых стоек в цепях основных составляющих токов) в предлагаемом устройстве только три силовых диодно-ключевых стойки (11-12, 15-16, 17-18) и одна относительно слаботочная (13-14 для рекуперации энергии рассеяния).
Таким образом, по сравнению с прототипом в предложенном устройстве обеспечиваются основной технический результат: повышение КПД устройства за счет снижения тепловых потерь в полупроводниковых элементах (ключах и диодах), и за счет сочетания прямо- и обратноходовой трансформации с промежуточным накоплением в реакторе, а также дополнительные технические результаты: повышение надежности и удельной мощности (на единицу массы и объема) устройства за счет улучшения суммарных массо-габаритных показателей устройств теплоотвода (радиаторов).