РЕЗОНАНСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА
RESONANT DIRECT CURRENT CONVERTER

Изобретение касается резонансного преобразователя постоянного тока с инверторной схемой, выпрямительной схемой и трансформаторным блоком, при этом инверторная схема соединена с первым разъемом трансформаторного блока, а выпрямительная схема соединена со вторым разъемом трансформаторного блока.
Преобразователи постоянного тока применяются, чтобы изменять величину постоянного напряжения. Они также обозначаются как преобразователи постоянного тока или DC/DC-преобразователи, или соответственно, DC/DC-преобразователи. С помощью полупроводников напряжение на стороне входа преобразователя постоянного тока преобразуется в предварительно задаваемое напряжение на стороне выхода преобразователя постоянного тока. Чтобы сократить потери от включения в полупроводниках преобразователя постоянного тока, у резонансных преобразователей постоянного тока генерируются переменные токи, при которых коммутационные действия предпринимаются при прохождениях токов через ноль или близко к нулю. Часто вход и выход преобразователей постоянного тока гальванически отделены друг от друга.
Резонансные преобразователи имеют свои преимущества в области, близкой к резонансной частоте, там потери при включении или выключении полупроводников наименьшие. Если удаленность между частотами рабочей точки и резонанса повышается, то коммутационные потери непрерывно возрастают. Наряду с повышением потерь при включении или выключении ток в резонансной сети также теряет свой синусоидальный характер и, таким образом, имеет широкополосный спектр в области частот, который на выходе резонансного преобразователя требует затратной фильтрации. Обусловленный низкими потерями при включении и выключении, резонансный преобразователь обладает также своим наилучшим коэффициентом полезного действия вблизи или непосредственно на резонансной частоте, в другом случае резонансный преобразователь имеет такие же коэффициенты полезного действия, как и обычно жестко подключающая конфигурация.
Резонансные преобразователи, которые должны покрывать большую область входного и выходного напряжения, чаще всего эксплуатируются в широком частотном диапазоне, что ведет к представленным выше недостаткам. В крайнем случае, резонансный преобразователь эксплуатируется в чисто емкостной или индуктивной области.
Сейчас преобразователи постоянного тока используются в большом диапазоне динамик входных и выходных напряжений с обычно жестко подключающими конфигурациями. Резонансные структуры находят применение чаще всего только при постоянных нагрузках, или соответственно, малых колебаниях нагрузки. Там они могут эксплуатироваться прямо на или близко к своей резонансной частоте и имеют названные выше преимущества.
Для большого диапазона входных и выходных напряжений по сегодняшнему уровню техники находят применение жестко подключающие полные мосты. Принцип работы схемы следующий. Находящаяся на стороне входа инверторная схема предоставляет переменное напряжение для трансформатора. Оно генерируется с помощью попеременного включения полупроводников инверторной схемы. Чтобы управлять площадкой напряжение-время и, таким образом, потоком мощности, длительность включения выставляется между 0% и 50%. Сгенерированное таким образом первичное напряжение трансформатора передается в зависимости от коэффициента трансформации на вторичную сторону и с помощью выпрямительной схемы преобразуется.
При этой конфигурации можно четко наблюдать потери от включения полупроводников. К тому же, ток в поперечной ветви схемы полного моста в частотной области является очень широкополосным, и ему необходим для сглаживания большой выходной фильтр. Однако преимущество этой компоновки заключается в большом диапазоне установки входных и выходных напряжений.
При резонансно подключающей инверторной схеме преобразователя постоянного тока генерируется синусоидальный ток, который течет через трансформатор и, таким образом, повторяющимся прохождением через ноль может быть включен и выключен без тока. Резонансный контур, генерирующий синусоидальный ток - это последовательное включение емкости и индуктивности в мостовой ветви инверторной схемы. Путем включения полупроводников инверторной схемы возникает синусоидальный ток, который передается через трансформатор и преобразуется на вторичной стороне с помощью выпрямительной схемы. Конденсатор на выходе выпрямительной схемы служит для сглаживания преобразованного напряжения. Управление включателей может происходить незначительно ниже резонанса (fs<fr), при резонансе (fs=fr) или незначительно выше резонанса (fs>fr), в зависимости от того, как высока частота, на которой работает инверторная схема. Таким образом, резонансный режим обеспечивается полностью синусоидальным током. Если частота включения находится далеко ниже или выше резонанса, то характер тока будет несинусоидальным. Поэтому необходимо, чтобы резонансно подключающая инверторная схема эксплуатировалась постоянно в диапазоне резонансной частоты, чтобы избежать затратных и обладающих потерями фильтров в мостовой ветви.
В основу изобретения положена задача улучшения резонансного преобразователя постоянного тока.
Эта задача решается с помощью резонансного преобразователя постоянного тока с инверторной схемой, выпрямительной схемой и трансформаторным блоком, при этом инверторная схема соединена с первым разъемом трансформаторного блока, а выпрямительная схема соединена со вторым разъемом трансформаторного блока, при этом первый и второй разъем отделены друг от друга гальванически с помощью первого трансформатора, при этом трансформаторный блок имеет средства для согласования (приведения в соответствие) коэффициента трансформации трансформаторного блока, при этом трансформаторный блок имеет цепь передачи энергии, при этом цепь передачи энергии имеет инвертор и второй трансформатор, при этом вход цепи передачи энергии расположен параллельно первичной стороне первого трансформатора, а выход цепи передачи энергии расположен последовательно к вторичной стороне первого трансформатора.
Следующие предпочтительные формы исполнения изобретения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения.
В основу изобретения положено познание, что с помощью изменяемого коэффициента трансформации трансформаторного блока значительно улучшается характеристика потерь преобразователя постоянного тока. При этом изменяемый коэффициент трансформации означает, что изменяемо отношение выходного напряжения к входному напряжению трансформаторного блока. Это может быть достигнуто, например, с помощью изменяющегося коэффициента трансформации первого трансформатора. Для этого первый трансформатор может быть выполнен с переключателем ступеней.
В качестве дополнения возможно к выходному напряжению первого трансформатора, это значит, к напряжению вторичной стороны первого трансформатора, добавить следующее напряжение. Это может быть предпринято, например, с помощью последовательного соединения вторичной стороны выхода трансформатора с напряжением цепи передачи энергии. При этом особо предпочтительно, если добавленное напряжение является изменяемым. Это напряжение генерируется изменяемым, например, с помощью инвертора. Благодаря имеющемуся в цепи передачи энергии второму трансформатору выход цепи передачи энергии, кроме этого, не имеет потенциала, поэтому это напряжение может быть без проблем добавлено к выходному напряжению первого трансформатора, если вторичная сторона первого трансформатора и выход цепи передачи энергии расположены в последовательном соединении.
Особо предпочтительным при этом является, если инвертор соединен с первичной стороной первого трансформатора, поскольку тогда для инвертора в отношении требуемых запирающих напряжений могут быть использованы такие же полупроводники, каковые имеются также в инверторной схеме. Таким образом, инверторы и инверторная схема могут быть собраны простым образом со сравнимыми или даже одинаковыми полупроводниками.
При этом оказалось, что особенно хорошее сокращение потерь преобразователя постоянного тока будет достижимо тогда, когда 75% передаваемой через преобразователь постоянного тока мощности передается через первый трансформатор и 25% передаваемой через преобразователь постоянного тока мощности передается через цепь передачи энергии. Благодаря этому первый трансформатор обладает тогда трехкратной производительностью по сравнению со вторым трансформатором.
Благодаря изменяемому коэффициенту трансформации трансформаторного блока, возможно повысить диапазон динамики резонансного преобразователя постоянного тока на большой диапазон входного и выходного напряжения с помощью задающего элемента, который находится непосредственно в первом трансформаторе или параллельно ему. Этого задающего элемента можно добиться, например, как описано выше, с помощью переключателя ступеней в первом трансформаторе или с помощью инвертора в цепи передачи энергии параллельно первому трансформатору, у которого выходное напряжение цепи передачи энергии добавляется с помощью последовательного подключения к напряжению вторичной стороны первого трансформатора. Кроме этого, этот задающий элемент может подводить рабочие точки, которые по причине входного и выходного напряжения находятся далеко от резонанса, с помощью изменяемого усиления напряжения ближе к резонансу. Таким образом, потери в полупроводниках инверторной схемы снижаются на основании меньшего удаления от резонансной частоты, и коэффициент полезного действия резонансного преобразователя повышается по сравнению с обычными преобразовательными конфигурациями. Альтернативно уже перечисленным выше реализациям, задающий элемент может быть реализован также с помощью умножительной схемы, которая находится параллельно трансформатору. В зависимости от числа отдельных ступеней, они могут быть подключены или отключены индивидуально.
о
о
Действие изменяемого коэффициента трансформации заключается в том, что резонансно включающая инверторная схема с помощью этой конфигурации может быть рассчитана с высоким коэффициентом полезного действия для большого диапазона входного и выходного напряжения. Это означает, что все рабочие точки лежат рядом с резонансной частотой, чтобы получить синусоидальный характер тока. Чтобы изменить коэффициент трансформации, теперь уже больше не требуется влиять на частоту инверторной схемы, а благодаря изменяемому коэффициенту трансформации трансформаторного блока имеется возможность влиять на напряжение на выходе выпрямительной схемы также без изменения частоты. Резонансная мостовая схема должна при этом иметь большой диапазон динамики при различных входных напряжениях и постоянном выходном напряжении. Для этого избегают бльших потерь при отключении на частотах, которые более удалены от резонансной частоты, выбирая рабочие точки рядом с резонансной частотой при меньшем коэффициенте трансформации. С помощью изменяемого коэффициента трансформации возможно выбирать для широкого диапазона мощностей частоту включения рядом с резонансной частотой. Таким образом, можно избежать возникновения бльших потерь при выключении в полупроводниковом включателе у рабочей точки, поскольку рабочая точка больше не должна быть выбрана далеко от резонансной частоты. Благодаря этому улучшается рабочая характеристика и потери при выключении полупроводникового включателя очень малы благодаря близости к резонансной частоте.
Преимущества резонансного преобразователя постоянного тока заключаются, с одной стороны, в исключительно малых потерях при включении и выключении полупроводников в инверторной схеме и связанным с этим высоким коэффициентом полезного действия преобразователя постоянного тока в большом рабочем диапазоне. Кроме того, благодаря этой конфигурации нового вида у дополнительного задающего элемента в мостовой цепи отпадает использование фильтра, поскольку благодаря режиму с изменяемым коэффициентом трансформации достижим синусный характер в мостовой цепи, и предотвращается возникновение нежелательной гармоники.
Далее изобретение следует более подробно описать и пояснить, руководствуясь изображенными на фигурах примерами исполнения. Показывают:
ФИГ.1 резонансный преобразователь постоянного тока с трансформатором с переключателем ступеней,
ФИГ.2 характер частоты резонансного преобразователя постоянного тока и
ФИГ.3 резонансный преобразователь постоянного тока с цепью передачи энергии.
ФИГ.1 показывает пример исполнения резонансного преобразователя 1 постоянного тока с первым трансформатором 5 с переключателем ступеней, который может быть активирован под нагрузкой. Преобразователь 1 постоянного тока может преобразовывать входное напряжение U1 в выходное напряжение U2. Для этого в инверторной схеме 2 генерируется переменное напряжение. С ним электрическая энергия с помощью трансформаторного блока 4 может быть передана от инверторной схемы 2 в выпрямительную схему 3. Для этого инверторная схема 2 и выпрямительная схема 3 соединены с трансформаторным блоком 4. При этом трансформаторный блок включает в себя средства для изменения коэффициента i трансформации трансформаторного блока 4. В простом исполнении этим средством для изменения коэффициента i трансформации может быть переключатель ступеней в первом трансформаторе 5. Обусловленное переключателем ступеней, усиление трансформаторного блока 4 может быть наложено индивидуально на отдельную рабочую точку с особо высоким коэффициентом полезного действия рядом с резонансной частотой. Отношение числа витков обмотки и число ступеней переключателя ступеней могут быть рассчитаны предпочтительным образом на соответствующее использование. ФИГ.2 показывает коэффициент i трансформации трансформаторного блока 4 в зависимости от частоты сгенерированного переменного напряжения. Различные линии отражают различные положения переключателя ступеней, или соответственно, различные напряжения, добавленные при помощи последовательного подключения на вторичную сторону первого трансформатора. Ясно, что изменение коэффициента трансформации может быть достигнуто теперь не только с помощью вариации частоты, но и изменением положения переключателя ступеней. Альтернативно на вторичной стороне первого трансформатора может быть добавлено напряжение, которое влияет на коэффициент i трансформации трансформаторного блока. При этом ФИГ.2 четко показывает, что усиление напряжения может задаваться при помощи переключателя ступеней. Таким образом, возможно следовать рабочей точке в большом диапазоне динамики близко к резонансу с особо высоким коэффициентом полезного действия. При этом следует учитывать, что число ступеней и область установки следует рассчитать для соответствующих применений. Технически вариация усиления напряжения реализуется также с помощью инвертора, который изображен на ФИГ.3. Во избежание повторений дается ссылка на описание к ФИГ.1, а также на приведенные там ссылочные обозначения. Инвертор 8 расположен в цепи 7 передачи энергии параллельно первому трансформатору. При этом цепь 7 передачи энергии получает энергию из инверторной схемы 2, располагаясь параллельно первичной обмотке 51 первого трансформатора 5. Чтобы иметь возможность влиять на напряжение на выходе трансформаторного блока 4, выход цепи 7 передачи энергии расположен последовательно с вторичной обмоткой 52 первого трансформатора. Одновременно последовательное включение образует выход трансформаторного блока 4. Для гальванического отделения входа и выхода преобразователя 1 постоянного тока предпочтительным образом в цепи 7 передачи энергии расположен второй трансформатор 6. Такой схемой генерируется коэффициент трансформации, как на ФИГ.2, при этом семейства кривых могут иметь сколько угодно много кривых, поскольку инвертор может генерировать почти любые напряжения.
Резюмируя, изобретение касается резонансного преобразователя постоянного тока с инверторной схемой, выпрямительной схемой и трансформаторным блоком, при этом инверторная схема соединена с первым разъемом трансформаторного блока, а выпрямительная схема соединена со вторым разъемом трансформаторного блока. Для улучшения преобразователя постоянного тока предлагается, чтобы первый и второй разъемы были гальванически отделены друг от друга с помощью первого трансформатора, при этом трансформаторный блок имеет средства для согласования коэффициента трансформации трансформаторного блока, при этом трансформаторный блок имеет цепь передачи энергии, при этом цепь передачи энергии имеет инвертор и второй трансформатор, при этом вход цепи передачи энергии расположен параллельно первичной стороне первого трансформатора, а выход цепи передачи энергии расположен последовательно к вторичной стороне первого трансформатора.