ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
VOLTAGE CONVERTER (VERSIONS)

Предлагаемая группа изобретений относится к электротехнике, в частности к устройствам преобразования входной энергии постоянного или переменного тока в энергию постоянного тока.
Преобразователь напряжения находит широкое применение в таких устройствах как: источники питания светодиодного освещения, сварочные аппараты инверторного типа; зарядные устройства аккумуляторных батарей; зарядные устройства емкостных накопителей энергии; источники питания озонаторов, а также в технологических источниках питания, нагрузка которых может изменяться в широких пределах.
Известен преобразователь однофазного переменного напряжения в постоянное инвертирующего типа с корректором коэффициента мощности (патент №92261 на полезную модель, опубл. 10.03.2010), включающий входной выпрямитель, датчик тока, транзистор, дроссель и отсекающий диод с конденсатором, параллельно которому подключены нагрузка и датчик выходного напряжения, а также схему управления с источником задающего напряжения, выход которого подключен к одному входу схемы сравнения, другой вход которой соединен с выходом датчика выходного напряжения, а выход схемы сравнения через корректирующее устройство и интегратор с тактирующим входом подключен к одному из входов компаратора, выход которого подключен к счетному входу триггера, тактирующий вход которого соединен с выходом задающего генератора, а прямой выход триггера через драйвер подключен к затвору транзистора, инверсный выход задающего генератора связан с тактирующим входом интегратора, где дополнительно введены датчик выпрямленного напряжения сети и второе корректирующее устройство, включенное между выходом первой схемы сравнения и входом компаратора, вторая схема сравнения выполнена трехвходовой, к которым подключены выходы обоих датчиков напряжения, и источника задающего напряжения, выход через корректирующее устройство связан с входом интегратора и одним из входов первой схемы сравнения, а тактирующий вход интегратора соединен с выходом задающего генератора, причем к положительному выводу выпрямителя подключен сток транзистора, исток которого через дроссель и датчик тока соединен с его отрицательным выводом, а параллельно дросселю подключена цепь из последовательно соединенных конденсатора и отсекающего диода.
Недостатком преобразователя является потребление из сети импульсного тока.
Известен преобразователь (Smith.M. PWM Controller with Jne-Cycle Response. / M. Smith, K.Smedley // US Patent 6084450), включающий силовой транзистор, входной выпрямитель с датчиками тока, положительный вывод выпрямителя связан с последовательно соединенными дросселем, отсекающим диодом и конденсатором выходного фильтра, параллельно которому подключен датчик выходного напряжения, сток силового транзистора подключен к общей точке дросселя и отсекающего диода, а его исток связан с отрицательным выводом выпрямителя, а также схему управления с источником задающего напряжения, выход которого подключен к одному входу схемы сравнения, другой вход которой соединен с выходом датчика выходного напряжения, а выход схемы сравнения через корректирующее устройство подключен к входу интегратора с тактирующим входом и к одному из входов второй схемы сравнения напряжения корректирующего устройства с выходным сигналом датчика тока, выход которого вместе с выходом компаратора подключены к входам компаратора, а инверсный выход триггера связан с тактирующим входом интегратора.
Недостатком известного преобразователя является невозможность ограничения тока в режимах перегрузок и коротких замыканий нагрузки.
Известен преобразователь постоянного напряжения в постоянное по схеме Кука (Slobodan M. Cuk. DC-to-DC Switching Converter With Zero Input And Output Current Ripple And Integrated Magnetics Circuits// U. S. Patent 4257087. Mar. 17, 1981), принятый за прототип, включающий накопительный конденсатор, к одному из выводов которого подключены сток транзистора и один из выводов входного дросселя, а к другому - анод диода и один из выводов выходного дросселя, другие выводы дросселей образуют входной и выходной зажимы преобразователя соответственно, причем к выходному зажиму одним выводом подключен конденсатор фильтра, другой вывод которого, катод диода и исток транзистора объединены и образуют общую шину преобразователя, и схему управления транзистором с драйвером, выход которого подключен к затвору транзистора.
Достоинством известного преобразователя являются меньшие габариты дросселя за счет работы по частному симметричному циклу петли гистерезиса, сглаженный потребляемый и выходной токи, меньшие пульсации выходного напряжения.
Недостатком является неоправданно высокое значение динамических потерь, связанное с тем, что к моменту включения транзистора его емкость заряжена до удвоенного напряжения источника питания и при включении транзистора эта емкость разряжается импульсным током, в десятки раз превышающем номинальное значение тока стока. Кроме того, дополнительно в этот же момент транзистор нагружается еще и обратным током выключающегося диода по цепи: положительная обкладка накопительного конденсатора, транзистор, диод, отрицательная обкладка накопительного конденсатора. Суммарное значение этого импульсного тока сопровождается выделением на кристалле транзистора мощности в десятки киловатт за доли микросекунды, что приводит к постепенной деградации кристалла и, как следствие, к сокращению срока службы преобразователя. Снижение динамических нагрузок на кристалл транзистора достигается включением в схему снабберных RC или RLC цепей, что приводит к снижению коэффициента полезного действия.
Основной задачей, на решение которой направлена группа изобретений, является создание преобразователей электрической энергии с обеспечением мягкого переключения транзисторов, у которых отсутствуют всплески выделяемой на кристалле транзистора мощности в моменты включения и выключения транзистора.
Техническим результатом является повышение коэффициента полезного действия посредством уменьшения динамических потерь, а также повышение надежности, и, как следствие, увеличение срока службы преобразователя.
Поставленная задача по первому варианту достигается тем, что преобразователь напряжения, содержащий накопительный конденсатор, к одному из выводов которого подключены сток транзистора и один из выводов входного дросселя, а к другому - анод диода и один из выводов выходного дросселя, другие выводы входного и выходного дросселей образуют входной и выходной зажимы преобразователя соответственно, причем к выходному зажиму одним выводом подключен конденсатор фильтра, другой вывод которого, катод диода и исток транзистора объединены и образуют общую шину преобразователя, и схему управления, выход которой подключен к затвору транзистора, дополнительно содержит коммутирующий дроссель, второй входной и второй выходной дроссели, второй транзистор, второй диод и второй накопительный конденсатор, к одному из выводов которого подключены сток второго транзистора и один из выводов второго входного дросселя, а к другому - анод второго диода и один из выводов второго выходного дросселя, другие выводы второго входного и второго выходного дросселей подключены к входному и выходному зажимам преобразователя соответственно, а катод второго диода и исток второго транзистора подключены к общей шине преобразователя, причем стоки транзисторов соединены через коммутирующий дроссель, а схема управления включает второй выход, подключенный к затвору второго транзистора.
Оптимально, чтобы схема управления содержала ШИМ контроллер, выходами подключенный к драйверам, выходы которых образуют выходы схемы управления.
Поставленная задача по второму варианту достигается тем, что преобразователь напряжения, содержащий накопительный конденсатор, к одному из выводов которого подключены сток транзистора и один из выводов входного дросселя, а к другому - анод диода и один из выводов выходного дросселя, другой вывод выходного дросселя образует выходной зажим преобразователя, причем к выходному зажиму одним выводом подключен конденсатор фильтра, другой вывод которого, катод диода и исток транзистора объединены и образуют общую шину преобразователя, и схему управления, выход которой подключен к затвору транзистора, дополнительно содержит мостовой выпрямитель, подключенный к сети переменного тока, датчики тока и напряжения, генератор гармонических колебаний, вход синхронизации которого подключен к выходу датчика напряжения, коммутирующий дроссель, второй входной и второй выходной дроссели, второй транзистор, второй диод и второй накопительный конденсатор, к одному из выводов которого подключены сток второго транзистора и один из выводов второго входного дросселя, а к другому выводу накопительного конденсатора - анод второго диода и один из выводов второго выходного дросселя, другой вывод второго входного дросселя связан с датчиком тока, а другой вывод выходного дросселя подключен к выходному зажиму преобразователя, при этом катод второго диода и исток второго транзистора подключены к общей шине преобразователя, причем стоки транзисторов соединены через коммутирующий дроссель, а схема управления включает второй выход, подключенный к затвору второго транзистора, и два входа, подключенные к выходам датчика тока и генератора гармонических колебаний соответственно.
Целесообразно, чтобы схема управления содержала ШИМ контроллер, выходами подключенный к драйверам, выходы которых образуют выходы схемы управления, а входы ШИМ контроллера образуют входы схемы управления.
Предлагаемая группа изобретений обеспечивает мягкую коммутацию транзисторов посредством включения между стоками транзисторов коммутирующего дросселя и обеспечения противотактной работы двух преобразователей, за счет чего возрастает коэффициент полезного действия, снижаются динамические нагрузки на кристалл транзистора и повышается надежность и, как следствие, увеличивается срок службы преобразователя.
На фиг.1 приведена схема преобразователя напряжения по первому варианту, на фиг.2-4 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип работы схем по обоим вариантам, на фиг.5 - схема преобразователя по второму варианту.
Преобразователь напряжения по первому варианту (фиг.1) содержит накопительный конденсатор 1, к одному из выводов которого подключены сток транзистора 2 и один из выводов входного дросселя 3, а к другому - анод диода 4 и один из выводов выходного дросселя 5. Другие выводы входного дросселя 3 и выходного дросселя 5 образуют входной и выходной зажимы преобразователя соответственно. К выходному зажиму одним выводом подключен конденсатор 6 фильтра, другой вывод которого, катод диода 4 и исток транзистора 2 объединены и образуют общую шину преобразователя. Преобразователь напряжения содержит схему 7 управления, которая включает ШИМ контроллер 8, выходами подключенный к драйверам 9 и 10, выходы которых образуют выходы схемы 7 управления. Один выход схемы 7 управления подключен к затвору транзистора 2. Преобразователь напряжения содержит коммутирующий дроссель 11, второй входной 12 и второй выходной 13 дроссели, второй транзистор 14, второй диод 15 и второй накопительный конденсатор 16, к одному из выводов которого подключены сток второго транзистора 14 и один из выводов второго входного дросселя 12. К другому выводу накопительного конденсатора 16 подключены анод второго диода 15 и один из выводов второго выходного дросселя 13. Другие выводы входного дросселя 12 и выходного дросселя 13 подключены к входному и выходному зажимам преобразователя соответственно. Катод второго диода 15 и исток второго транзистора 14 подключены к общей шине преобразователя. Стоки транзисторов 2 и 14 соединены через коммутирующий дроссель 11, а затвор второго транзистора 14 подключен к другому выходу схемы 7 управления.
На фиг.2 приняты следующие обозначения: 17 - напряжение управления транзистором 2; 18 - напряжение управления транзистором 14; 19 - ток дросселя 3; 20 - ток дросселя 12; 21 - входной ток преобразователя; 22 - ток дросселя 5; 23 - ток дросселя 13, 24 - ток нагрузки. На фиг.3 обозначено: 25 - ток транзистора 2; 26 - потенциал стока транзистора 2; 27 - ток транзистора 14; 28 - потенциал стока транзистора 14. На фиг.4 приняты следующие обозначения: 29, 37 - напряжение управления транзистором 2; 30, 38 - потенциал стока транзистора 2; 31, 39 - ток транзистора 2; 32, 40 - рассеиваемая на транзисторе 2 мощность; 33, 41 - напряжение управления транзистором схемы преобразователя-прототипа; 34, 42 - потенциал стока транзистора схемы преобразователя-прототипа; 35, 43 - ток транзистора схемы преобразователя-прототипа; 36, 44 - рассеиваемая на транзисторе схемы преобразователя-прототипа мощность; 45 - разделительная линия между моментами включения и выключения транзисторов.
Преобразователь напряжения по второму варианту (фиг.5) содержащий все элементы, присущие преобразователю напряжения по первому варианту, дополнительно содержит мостовой выпрямитель 46, входные зажимы которого подключены к сети переменного тока, а к выходным зажимам подключен датчик 47 напряжения, выход которого соединен с синхронизирующим входом генератора 48 гармонических колебаний, выходом подключенного к одному из входов схемы 7 управления, а другой вход схемы 7 управления связан с выходом датчика 49 тока, расположенного между положительным выходным зажимом мостового выпрямителя 46 и первым входным дросселем 3, к которому также подключен положительный вывод неполярного конденсатора 50, другой вывод которого подсоединен к общей шине преобразователя
1
2
Преобразователь напряжения по первому варианту работает следующим образом. В установившемся режиме работы преобразователя в момент времени t выключается транзистор 2 и включается транзистор 14 по сигналам ШИМ контроллера выходными напряжениями 17 и 18 драйверов 9 и 10 соответственно. Ток 20 дросселя 12 начинает нарастать, а ток 19 дросселя 3 спадает. Конденсатор 1 подзаряжается до удвоенного значения напряжения источника питания, в то время как конденсатор 16 частично разряжается током нагрузки через включенный транзистор 14, который выключается в момент времени t. Суммарный ток входных дросселей 3 и 12 представляет собой потребляемый от источника питания ток 21. Аналогично сумма токов 22 и 23 выходных дросселей 5 и 13 является током 24 нагрузки и током конденсатора 6 фильтра.
2
5
На интервале выключенного состояния транзистора 2 дроссель 5 отдает накопленную энергию в конденсатор 6 фильтра и нагрузку по цепи: вывод дросселя 5, диод 4, конденсатор 6, второй вывод дросселя 5. Заряженный на интервале времени t-t до удвоенного напряжения источника питания конденсатор 16 на следующем интервале разряжается через транзистор по цепи: плюс конденсатора 16, транзистор 14, конденсатор 6, дроссель 13, минус конденсатора 16. Дроссель 13 при этом накапливает энергию.
2
3
1
3
2
3
3
5
В интервале времени t-t, оба транзистора выключены, питание нагрузки обеспечивается энергией конденсатора 6 фильтра, а цепь: дроссель 13, конденсатор 16, коммутирующий дроссель 11, конденсатор 1, дроссель 5 образует контур, обеспечивающий, при максимальных углах регулирования ШИМ контроллера, снижение потенциала на стоке выключенного транзистора 2 до отрицательного напряжения, при котором включается встроенный в него обратный диод (на фиг.1 не показан). Поскольку потенциал 26 стока выключенного в интервале времени t-t транзистора 2 определяется суммой напряжений замкнутого контура, образованного дросселями 3, 11, 12, и к моменту времени t становится равным нулю, то и включение его в момент времени t осуществляется при нулевом напряжении и отрицательном токе 25, протекающем через встроенный обратный диод. В интервале времени t-t аналогичные процессы протекают в транзисторе 2, работающем в противотактном режиме. Процессы мягкого включения транзисторов протекают следующим образом. К концу интервала проводимости, например транзистора 2, ток дросселя 5 убывает до нулевого значения и под действием напряжения на конденсаторе 6 изменяет свое направление. В это же время ток подзарядки конденсатора 1 снижается, приближаясь к значению, близкому к нулю, и как только он сравняется с током дросселя 5 - диод 4 запирается. Ток дросселя 5 продолжает протекать, теперь уже по цепи: вывод дросселя 5, конденсатор 1, паразитная емкость сток-исток транзистора 2, конденсатор фильтра 6, второй вывод дросселя 5. Этим током разряжается паразитная емкость транзистора 2 до нулевого значения и перезаряжается до противоположной полярности, при которой открывается встроенный обратный диод транзистора, который и ограничивает обратное напряжение на транзисторе. Мягкая коммутация транзистора возможна с данного момента времени и до момента, когда накопленная энергия дросселя 5 не снизится до нулевого значения. В противотактном транзисторе 14 процессы включения протекают аналогично рассмотренным.
Таким образом, к моменту включения транзисторов 2 и 14 потенциалы 26 и 28 стока этих транзисторов спадают до нуля и через встроенные обратные диоды начинает протекать отрицательный ток в направлении исток-сток, что приводит к тому, что в момент включения рассеиваемая на кристалле транзистора мощность равна нулю. В момент выключения транзисторов в предлагаемом варианте преобразователя и в схеме прототипа динамическая мощность на транзисторах сравнима по порядку и находится на уровне статической рассеиваемой мощности.
Кроме того, как показано на фиг.2, токи 19 и 20 дросселей 3 и 12 соответственно складываются таким образом, что потребляемый входной ток 21 преобразователя становится практически постоянным, за счет того, что имеет удвоенную частоту пульсаций по отношению к частоте коммутации транзисторов и минимальные амплитуды пульсаций. Аналогично, за счет эффекта сложения токов 22 и 23 дросселей 5 и 13, изменяющихся противоположно, выходной ток 24 нагрузки преобразователя имеет сглаженную форму постоянного тока. На фиг.4 показаны сравнительные диаграммы токов, потенциалов стока и рассеиваемой мощности транзистора 2 предлагаемого преобразователя и транзистора прототипа в моменты включения, слева от разделительной линии 45 и выключения, справа от разделительной линии 45 данных транзисторов. Из фиг.4 видно, что пиковые значения тока 35 и рассеиваемой мощности 36 транзистора прототипа во много раз выше значения тока 31 и мощности 32 транзистора предлагаемого преобразователя. В частности, численные значения тока 31 и мощности 32 в моменты включения транзисторов по результатам имитационного моделирования составляют 4 А и 38 Вт соответственно, а численные значения тока 35 и мощности 36 составляют 88 А и 11 кВт, соответственно. Из вышесказанного следует достижение указанного в описании технического результата.
Таким образом, на фиг.4 показано, что благодаря заявленным преимуществам предлагаемый преобразователь по первому варианту обладает на один-два порядка меньшими динамическими потерями в момент включения транзисторов.
Преобразователь напряжения по второму варианту работает аналогично преобразователю по первому варианту, с учетом того, что напряжение на неполярном конденсаторе 50 представляет собой выпрямленное напряжение сети, изменяющееся от нуля до амплитудного значения. Выходной сигнал датчика 49 тока используется в ШИМ контроллере 8 как сигнал обратной связи по току, а выходной сигнал с датчика 47 напряжения синхронизирует работу генератора 48 гармонических колебаний. При этом на выходе генератора 48 гармонических колебаний формируется синусоидальный сигнал с постоянной составляющей, используемый в ШИМ контроллере 8 как источник опорного напряжения для контура стабилизации входного тока. Неполярный конденсатор 50 относительно небольшой емкости предназначен для поглощения энергии коммутационных перенапряжений от паразитных индуктивностей. При подаче переменного напряжения на входные зажимы мостового выпрямителя 46 между его положительным и отрицательным выходными выводами действует выпрямленное напряжение с удвоенной частотой пульсаций напряжения сети. Дальнейшие процессы в предлагаемом преобразователе протекают так, как указано в описании преобразователя напряжения по первому варианту, с учетом того, что напряжение источника питания не постоянное, а пульсирующее от нуля до амплитудного значения напряжения сети. Ток, потребляемый из питающей сети, в замкнутой системе регулирования с контуром стабилизации тока, приобретает синусоидальную форму с минимальными пульсациями. Так дополнительно реализуется функция коррекции коэффициента мощности.
Таким образом, предлагаемая группа изобретений обеспечивает повышение коэффициента полезного действия путем уменьшения динамических потерь при переключении транзисторов, что улучшает надежность и срок службы преобразователя. Кроме того, в преобразователях напряжения по второму варианту, одновременно с регулированием постоянного напряжения реализуется еще и функция коррекции коэффициента мощности.