МНОГОФАЗНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)

Заявляемая полезная модель относится к электротехнике, в частности к устройствам преобразования входной энергии постоянного тока в энергию постоянного тока.
Многофазные преобразователи напряжения широко используются в таких устройствах как: интеллектуальные источники питания повышенной живучести ответственных радиотехнических комплексов, зарядные устройства аккумуляторных батарей; зарядные устройства емкостных накопителей энергии, преобразователи напряжения в солнечной энергетике, а так же в технологических источниках питания, нагрузка которых может изменяться в широких пределах.
Известен многофазный преобразователь постоянного напряжения в постоянное понижающего типа (патент США №4.194.147, от 18.03.1980 М.кл. G05F 1/40), включающий входной и выходной конденсаторы, выводы которых образуют входные и выходные выводы преобразователя соответственно, отрицательные обкладки конденсаторов объединены и образуют общую шину преобразователя, а между положительными выводами конденсаторов включены N параллельно соединенных ячеек преобразователей понижающего типа, и схему управления с контроллером и N драйверами, входы которых подключены к выходам контроллера, а выходы к управляющим электродам транзисторов.
К положительным свойствам преобразователя относятся, прежде всего, широкий диапазон и гибкость регулирования напряжения и тока, однако он характеризуется неоправданно высоким значением динамических потерь, что определяется жестким режимом включения транзистора, что сопровождается постепенной деградацией кристаллов транзисторов и снижением срока жизни преобразователя.
Последующие изобретения такого рода многофазных преобразователей направлены на повышение надежности и живучести за счет введения резервной избыточности N+1 (патент США №4.204.243, от 20.05 1980, М.кл. П06А 11/00), резервной избыточности N+1+k (патент РФ №1804678 A3, от 23.03.1993, М.кл G05F 1/59), совершенствование способов управления группами источников питания в различных применениях, например в системах гарантированного электропитания (Высокочастотные транзисторные преобразователи / Э.М.Ромаш, Ю.И.Драбович, Н.Н.Юрченко, П.Н.Шевченко. - М.: Радио и связь, 1988. С.248, рис.7.5, а), солнечной энергетике (патент США №2011/0144822, от 16.06.2011, М.кл. G06F 1/28). Однако вопросы повышения надежности, связанные с динамическими потерями, реализовывались преимущественно за счет введения дополнительных снабберных активных и пассивных цепей, но разгрузка полупроводниковых кристаллов приводила, как правило, к снижению коэффициента полезного действия.
Известен многофазный преобразователь постоянного напряжения в постоянное квазирезонансного типа (патент РФ №2112739, от 10.06.1998, М.кл. C01B 13/11) включающий входной и выходной конденсаторы, выводы которых образуют входные и выходные выводы преобразователя соответственно, отрицательные обкладки конденсаторов объединены и образуют общую шину преобразователя, а между положительными выводами конденсаторов включены N параллельно соединенных ячеек квазирезонансных преобразователей понижающего типа, и схему управления с контроллером и N драйверами, входы которых подключены к выходам контроллера с частотно-импульсным регулированием, а выходы к управляющим электродам транзисторов.
Основным преимуществом такого преобразователя является исключение динамических потерь, поскольку транзисторы при квазирезонансных режимах коммутации переключаются либо в ноль напряжения, либо в ноль тока. Однако, квазирезонансный преобразователь характеризуется ограниченным диапазоном регулирования выходных параметров (тока, напряжения), поскольку постоянство длительности резонансного колебания позволяет реализовать регулирование только изменением длительности паузы, то есть - частотно-импульсное регулирование. Расширение этого диапазона выдвигает повышенные требования к частотным свойствам полупроводниковых приборов, магнитным материалам и конденсаторам, особенно с нагрузкой, изменяющейся от короткого замыкания до холостого хода. Кроме того, изменение частоты в широких пределах сопровождается изменением величины пульсаций потребляемого тока и выходного напряжения, что выдвигает повышенные требования к фильтрующим элементам.
Наиболее близким, по техническому решению, является многофазный преобразователь постоянного напряжения в постоянное (патент РФ №1804678 A3, от 23.03.1993, М.кл G05F 1/59), включающий входной и выходной конденсаторы, выводы которых образуют входные и выходные выводы преобразователя соответственно, отрицательные обкладки конденсаторов объединены и образуют общую шину преобразователя, а между положительными выводами конденсаторов включены N+1+k параллельно соединенных преобразователей понижающего типа, каждый из которых содержит последовательно соединенные транзистор и дроссель к общей точке которых подключены катоды диодов, а их аноды соединены с общей шиной преобразователя и схему управления с многофазным ШИМ контроллером и драйверами, входы которых подключены к соответствующим выходам контроллера, а выходы к управляющим электродам транзисторов.
Достоинством многофазного преобразователя являются повышенная в N раз частота пульсаций входного и выходного тока и возможность резервирования за счет введения дополнительной ячейки «горячего» резерва и k ячеек «холодного резерва», а к недостаткам относится неоправданно высокое значение динамических потерь, связанное с тем, что к моменту включения транзистора, его емкость заряжена до уровня входного напряжения и при включении транзистора эта емкость разряжается импульсным током, в десятки раз превышающим номинальное значение тока транзистора. Кроме того, дополнительно в этот же момент транзистор нагружается еще и обратным током выключающегося диода по цепи: положительная обкладка входного конденсатора - транзистор - диод - отрицательная обкладка выходного 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.
В известных устройствах, снижение динамических нагрузок на кристалл транзистора достигается включением в схему снабберных RC или RLC цепей, что приводит к снижению коэффициента полезного действия. Кроме того, для равномерного распределения тока между N работающими ячейками преобразователей, необходимо вводить дополнительные цепи контроля выходных параметров (тока и напряжения) каждой ячейки и регулирования этих величин, что сопровождается ростом стоимости преобразователя и снижением надежности.
Основной задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание многофазного преобразователя постоянного напряжения в постоянное понижающего типа с обеспечением мягкого переключения транзисторов, при котором 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 не только за счет резервирования, но и за счет многократного снижения процессов деградации кристаллов транзисторов и придания парам ячеек, содержащим коммутирующие дроссели, «естественных» свойств выравнивания токов между ними.
Поставленная задача по первому варианту достигается тем, что в многофазный преобразователь постоянного напряжения в постоянное, дополнительно введены коммутирующие дроссели, по числу равному (N+1+k)/2, включенные между коллекторами транзисторов четных и нечетных преобразователей понижающего типа, образующих (N+1+k)/2 преобразовательных ячеек.
Оптимально, чтобы схема управления содержала (N+1+k)/2 двухтактных драйверов и многофазный ШИМ контроллер, выходами подключенный к входам драйверов, противотактные выходы которых подключены к управляющим электродам транзисторов четных и нечетных преобразователей понижающего типа, объединенных коммутирующим дросселем.
Поставленная задача по второму варианту достигается тем, что в многофазный преобразователь постоянного напряжения в постоянное, включающий входной и выходной конденсаторы, выводы которых образуют входные и выходные выводы преобразователя соответственно, отрицательные обкладки конденсаторов объединены и образуют общую шину преобразователя, а между положительными выводами конденсаторов включены N+1+k параллельно соединенных преобразователей понижающего типа, каждый из которых содержит последовательно соединенные транзистор и дроссель, дополнительно введены N+1+k транзисторов и коммутирующие дроссели, по числу равному (N+1+k)/2, включенные между коллекторами транзисторов четных и нечетных преобразователей понижающего типа, образующих (N+1+k)/2 преобразовательных ячеек, а между общей точкой последовательно соединенных транзистора и дросселя каждого преобразователя понижающего типа и общей шиной многофазного преобразователя включен транзистор, управляющий электрод которого связан с выходом соответствующего драйвера.
Оптимально, чтобы схема управления содержала (N+1+k)/2 двухтактных драйверов с двумя парами противотактных выводов и многофазный ШИМ контроллер, выходами подключенный к входам драйверов, вторая пара противотактных выходов подключена к управляющим электродам введенных транзисторов четных и нечетных преобразователей понижающего типа, объединенных коммутирующим дросселем.
На фиг.1 приведена схема многофазного преобразователя напряжения по первому варианту, на фиг.2 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип работы преобразователя, а на фиг.3 приведена схема многофазного преобразователя напряжения по второму варианту.
Многофазный преобразователь постоянного напряжения в постоянное по первому варианту содержит входной 1 и выходной 2 конденсаторы, выводы которых образуют входные 3, 4 и выходные 5, 4 выводы преобразователя соответственно, отрицательные обкладки конденсаторов объединены и образуют общую шину 4 многофазного преобразователя, а между положительными выводами 3 и 5 конденсаторов включены N+1+k параллельно соединенных преобразователей понижающего типа, каждый из которых содержит последовательно соединенные транзистор 6 (9) и дроссель 7 (10), к общей точке которых подключены катоды диодов 8 (11), а их аноды соединены с общей шиной 4 преобразователя и схему управления 12 с многофазным ШИМ контроллером 13 и драйверами 14, 15, …, входы которых подключены к одному из выходов контроллера 13. В преобразователь напряжения для повышения коэффициента полезного действия и надежности, дополнительно введены коммутирующие дроссели 16, …(N+1+k)/2, включенные между коллекторами транзисторов четных 6, 7, 8 и нечетных 9, 10, 11 преобразователей понижающего типа, драйверы, числом (N+1+k)/2, выполнены с противотактными выходами, подключенными к управляющим электродам транзисторов четных 6, 7, 8 и нечетных 9, 10, 11 преобразователей понижающего типа, объединенных коммутирующими дросселями 16.
На фиг.2 приняты следующие обозначения: 19, 20 - напряжение управления транзисторами 6, 9 преобразовательной ячейки 17; 21, 22 - напряжение управления транзисторами 6, 9 преобразовательной ячейки 18; 23, 24 и 25 - токи дросселей 7, 10 и 16 преобразовательной ячейки 17 соответственно; 26, 27 и 28 - токи дросселей 7, 10 и 16 преобразовательной ячейки 18 соответственно; 29 и 30 - потенциал и ток стока транзистора 6 преобразовательной ячейки 17 соответственно; 31 и 32 - потенциал и ток стока транзистора 9 преобразовательной ячейки 17 соответственно; 33 и 34 потенциал и ток стока транзистора 6 преобразовательной ячейки 18 соответственно; 35 и 36 - потенциал и ток стока транзистора 9 преобразовательной ячейки 18 соответственно; 37 - ток нагрузки и конденсатора 2; 38 - потребляемый ток и ток конденсатора 1.
Многофазный преобразователь постоянного напряжения в постоянное по второму варианту (фиг.3), содержит входной 1 и выходной 2 конденсаторы, выводы которых образуют входные 3, 4 и выходные 5, 4 выводы преобразователя соответственно, отрицательные обкладки конденсаторов объединены и образуют общую шину 4 преобразователя, а между положительными выводами 3, 5 конденсаторов 1, 2 включены N+1+k параллельно соединенных преобразователей понижающего типа, каждый из которых содержит последовательно соединенные транзистор 6 (9) и дроссель 7 (10), дополнительно введены N+1+k транзисторов 39 (40) и коммутирующие дроссели 16, по числу равному (N+1+k)/2, включенные между коллекторами транзисторов четных 18 и нечетных 17 преобразовательных ячеек, образующих (N+1+k)/2 преобразовательных ячеек, а между общей точкой последовательно соединенных транзистора 6(9) и дросселя 7 (10) каждого преобразователя понижающего типа и общей шиной многофазного преобразователя включен транзистор 39 (40), управляющий электрод которого связан с выходом соответствующего драйвера.
Схема управления содержит (N+1+k)/2 двухтактных драйверов 41, 42, …(N+1)/2, …(N+1+k)/2 с двумя парами противотактных выводов и многофазный ШИМ контроллер 13, выходами подключенный к входам драйверов, вторая пара противотактных выходов драйверов подключена к управляющим электродам введенных транзисторов 39, 40 четных 18 и нечетных 17 преобразователей понижающего типа, объединенных коммутирующими дросселями 16.
1
2
2
5
Работу многофазного преобразователя постоянного напряжения в постоянное напряжение рассмотрим на примере функционирования двух ячеек преобразователей 17, 18 (фиг.1), фазы управляющих напряжений 19, 20 и 21, 22 которых смещены на половину периода частоты коммутации транзисторов (фиг.2). В установившемся режиме работы преобразователя в момент времени t выключается транзистор 9 и в момент времени t включается транзистор 6 преобразовательной ячейки 17 под действием выходных напряжений 19, 20 драйвера 14 с противотактными выходами, в соответствии с управляющими сигналами многофазного ШИМ контроллера 13. После выключения транзистора 9 полярность напряжения на дросселе 10 изменяется на противоположную и открывается диод 11, а накопленная в дросселе энергия передается в выходной конденсатор 2 и нагрузку. В интервале времени t-t ток 24 дросселя 10 начинает спадать, а ток 23 дросселя 7, при включенном транзисторе 6, нарастает.
3
4
4
7
Аналогично, в момент времени t выключается транзистор 9 преобразовательной ячейки 18 и в момент времени t включается транзистор 6 этой ячейки по сигналам многофазного ШИМ контроллера под действием выходных напряжений 21, 22 драйвера 15 с противотактными выходами. Выключение транзистора 9 сопровождается изменением полярности напряжения на дросселе 10 на противоположную и отпиранием диода 11 преобразовательной ячейки 18, а накопленная энергия также передается в выходной конденсатор 2 и нагрузку. В интервале времени t-t ток 26 дросселя 10 начинает спадать, а ток 27 дросселя 7 нарастает, накапливая энергию.
1
2
3
4
5
6
В интервалах времени t-t, t-t, t-t и т.д. оба транзистора соответствующей преобразовательной ячейки выключены, а питание нагрузки обеспечивается энергией выходного конденсатора 2.
5
6
Процессы мягкого переключения транзисторов обеспечиваются токами перезаряда 25, 28 коммутирующих дросселей 16 каждой преобразовательной ячейки и протекают следующим образом. К концу интервала выключенного состояния, например транзистора 9 (t⇒t), ток 24 дросселя 10 снижается, а ток 25 коммутирующего дросселя 16 возрастает и когда эти токи сравняются по величине, запирается диод 11 и ток 25 коммутирующего дросселя 16 продолжает протекать теперь уже через открытый транзистор 6, паразитную емкость транзистора 9, снижая потенциал стока 31 до нулевого значения и далее до напряжения отпирания встроенного в транзистор обратного диода. При поступлении отпирающего напряжения 20, в момент времени t, включение транзистора 9 происходит при нулевом потенциале стока, причем обратный ток 32 через встроенный диод будет протекать до тех пор, пока ток 25 коммутирующего дросселя 18, снижаясь, вновь не сравняется с нарастающим током 23 дросселя 10. Процессы переключения транзисторов других ячеек 17, 18…(N+1+k)/2 протекают аналогично рассмотренным, что отражено временными диаграммами токов 26, 27, 28, 30, 32, 34, 36 и напряжений на фиг.2.
Таким образом, к моменту включения транзисторов 6 и 9 каждой преобразовательной ячейки потенциалы 29, 31, 33 и 35 стока этих транзисторов спадают до нуля и сразу после включения через обратные встроенные диоды еще протекает 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 преобразователе и в схеме прототипа динамическая мощность на транзисторах сравнима по порядку и находится на уровне статической рассеиваемой мощности.
Суммарный ток 23, 24, 26, 27 дросселей 7, 10 всех N/2 включенных преобразовательных ячеек представляет собой ток нагрузки 37, пульсации которого в 3N раз ниже пульсаций токов дросселей из-за того, что эти токи изменяются в противофазе. Аналогично, потребляемый от источника питания ток 38 представляет собой суммарный ток 23, 24, 26, 27 N транзисторов 6, 9 и определяют частоту и величину пульсаций тока входного конденсатора 1. Кроме того, коммутирующий дроссель переменного тока 16, определяет строго противофазное изменение переменной составляющей токов дросселей 7, 10 и строгое равенство постоянных составляющих, т.е. придает каждой, работающей в настоящий момент времени, ячейке 17, 18, …N/2 «естественные» свойства равномерного распределения этих токов.
1
2
3
4
5
6
Многофазный преобразователь постоянного напряжения в постоянное по второму варианту работает аналогичным образом, так как функции диодов 8, 11 (фиг.1) выполняют транзисторы 39, 40 (фиг.3). Поскольку падение напряжения на открытом транзисторе ниже, чем у диода, дополнительно достигается снижение статических потерь. Наряду с этим, основной достигаемый эффект сводится к возможности задания фиксированного времени спада потенциалов сток-исток транзисторов в интервалах закрытого состояния пар транзисторов t-t, t-t, t-t и т.д., работающих в противотакте.
Таким образом, повышение коэффициента полезного действия достигается в предлагаемом преобразователе посредством снижения динамических потерь при включении транзисторов, практически до нуля, а также за счет снижения в 3N раз пульсаций тока и напряжения, следовательно, потерь во входном и выходном конденсаторах и частичного снижения статических потерь. При снижении нагрузки 37 ниже номинальной величины отключение многофазным ШИМ контроллером ячеек избыточной мощности сопровождается расширением зоны максимального значения коэффициента полезного действия в функции тока нагрузки.
Повышение надежности и увеличения времени безотказной работы многофазного преобразователя напряжения связано со следующими достигнутыми эффектами:
1) снижение процессов деградации кристаллов транзисторов за счет исключения жесткой коммутации при переключении транзисторов, поскольку в момент включения напряжение на транзисторах 6, 9 равно нулю, а обратные диоды 8, 11 выключены токами коммутирующих дросселей 16 (по второму варианту транзисторы 39, 40 выключены запирающими напряжениями многофазного ШИМ контроллера);
2) равномерным износом N+1+k ячеек преобразователей понижающего типа за счет временной ротации N работающих ячеек, ячейки горячего резерва и k ячеек холодного резерва;
3) двукратным снижением элементов схемы управления, обеспечивающих равномерное деление токов между ячейками преобразователя, за счет придания парам преобразователей понижающего типа, содержащим коммутирующие дроссели, «естественных» свойств выравнивания токов между ними.
Благодаря заявленным преимуществам из вышесказанного следует достижение указанного в описании технического результата.