ДВУНАПРАВЛЕННЫЙ ПОНИЖАЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
TWO-DIRECTIONAL DOWN CONVERTER OF CONSTANT VOLTAGE

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, а именно к области полупроводниковой преобразовательной техники (силовой электроники), и может быть использовано в качестве высоковольтного двунаправленного понижающего dc-dc конвертора средней мощности в системах электрооборудования постоянного тока, например, для электровозов постоянного тока напряжением 3 (1.5) кВ для питания от контактной сети с повышенным напряжением (12 (6) кВ, 18 (9) кВ и т.д.), с обеспечением гальванической развязки питающей сети и нагрузки.
Известен двунаправленный понижающий преобразователь постоянного напряжения, с отношением величины высокого напряжения к амплитуде импульсов низкого напряжения, равным K, содержащий конденсаторы и два модуля, каждый из которых состоит из последовательно соединенных ключей, каждый из которых, в свою очередь, образован встречно-параллельным соединением вентиля с полным управлением и диода, причем первый оконечный вывод первого модуля соответствует катоду диода ключа, а первый оконечный вывод второго модуля соответствует аноду диода ключа, при этом количество последовательно соединенных ключей в каждом из модулей K, указанные ключи в модулях соединены разноименными выводами, количество конденсаторов K-1, выводы каждого из них подсоединены к точкам соединения выводов ключей различных модулей, имеющим одинаковые номера n при отсчете от зажимов низкого напряжения, где n - целые положительные числа натурального ряда 1, 2, 3, 4, K-1, положительный вывод высокого напряжения подсоединен к первому оконечному выводу первого модуля, отрицательные выводы высокого и низкого напряжения подсоединены к первому оконечному выводу второго модуля, положительный вывод низкого напряжения подсоединен к точке соединения вторых оконечных выводов первого и второго модулей (F.Zhang, L.Du, F.Z.Peng, Z.Qian. A New Design Method for High-Power High-Efficiency Switched-Capacitor DC-DC Converters. // IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.23, No.2, March 2008, pp.832-840, см. с.835, Fig.7, и G.Gateau, M.Fadel, P.Maussion, R.Bensaid, T.A.Meynard. Multicell Converters: Active Control and Observation of Flying-Capacitor Voltages. // IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol.49, No.5, October 2002, pp.998-1008, см. c.999, Fig.1, где K=3).
Однако указанный двунаправленный понижающий преобразователь постоянного напряжения, с отношением величины высокого напряжения к амплитуде импульсов низкого напряжения, равным K, требует использования K-2 конденсаторов с предельными значениями напряжения, превышающими амплитуду импульсов напряжения на выводах низкого напряжения преобразователя, что приводит к повышенным потерям активной мощности в конденсаторах.
Кроме того, известен двунаправленный понижающий преобразователь постоянного напряжения (Зиновьев Г.С, Лопаткин Н.Н. Двунаправленный понижающий преобразователь постоянного напряжения. Патент РФ №2394344. Опубл. 10.07.2010, Бюл. №19), взятый за прототип, содержащий K конденсаторов, K модулей трех типов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных ключей, каждый из которых, в свою очередь, образован встречно-параллельным соединением вентиля с полным управлением и диода, где K - четное число, большее двух, и аналогичный ключ, каждый из K-2 модулей первого типа состоит из трех последовательно соединенных разноименными выводами ключей, первый из первой группы K/2-1 каскадно соединенных модулей первого типа подсоединен первым выводом к положительному выводу высокого напряжения, первый из второй группы K/2-1 каскадно соединенных модулей первого типа подсоединен четвертым выводом к отрицательному выводу высокого напряжения, при подсоединении последующих модулей указанных групп первые и вторые-выводы модулей подсоединены, соответственно, к третьим и к четвертым выводам соседних модулей, где первый вывод каждого из модулей первого типа соответствует выводу катода диода первого из последовательно соединенных ключей, второй вывод соответствует точке соединения анода диода второго ключа и катода диода третьего ключа, третий вывод - точке соединения анода диода первого ключа и катода диода второго ключа, а четвертый - выводу анода диода третьего ключа, один из двух выводов высокого напряжения, либо положительный, либо отрицательный, подсоединен к соответствующему выводу первого модуля соответствующей группы модулей первого типа непосредственно, а второй - через указанный аналогичный ключ, подсоединенный либо катодом диода к положительному выводу высокого напряжения, либо анодом диода к отрицательному выводу высокого напряжения, K конденсаторов подсоединены между первым и вторым выводами, а также между третьим и четвертым выводами модулей первого типа по одному без дублирования в точках соединения соседних модулей первого типа, причем в единственном модуле второго типа и в единственном модуле третьего типа ключей содержится по четыре, и они последовательно соединены одноименными выводами, первый оконечный вывод модуля второго типа соответствует катоду диода ключа, первый оконечный вывод модуля третьего типа соответствует аноду диода ключа, два аналогичных ключа подсоединены по одному между первыми точками соединения ключей модулей второго и третьего типа, отсчитываемыми от срединных точек этих модулей, т.е. точек соединения второго и третьего последовательно соединенных ключей, влево и вправо, катодами диодов к точкам соединения анодов диодов модуля второго типа, а анодами диодов к точкам соединения катодов диодов модуля третьего типа, первые оконечные выводы модулей второго и третьего типов подсоединены, соответственно, к первому и второму выводам последнего модуля второй группы K/2-1 каскадно соединенных модулей первого типа, вторые оконечные выводы модулей второго и третьего типа подсоединены, соответственно, к третьему и четвертому выводам последнего модуля первой группы K/2-1 каскадно соединенных модулей первого типа, а срединные точки модулей второго и третьего типа служат выводами низкого напряжения.
Однако этот двунаправленный понижающий преобразователь постоянного напряжения не имеет гальванической развязки питающей сети и нагрузки, что требует высоковольтной изоляции нагрузки относительно источника питания (на половину напряжения источника питания), один из выводов которого связан с землей (рельсы).
Задачей предлагаемого изобретения является создание двунаправленного понижающего преобразователя постоянного напряжения с гальванической изоляцией нагрузки (и этим самым улучшением ее использования по изоляции путем снижения требования к изоляции), т.е. с увеличением надежности изоляции выходных цепей преобразователя и нагрузки.
Это достигается тем, что в двунаправленный понижающий преобразователь постоянного напряжения, содержащий K конденсаторов, K модулей трех типов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных ключей, каждый из которых, в свою очередь, образован встречно-параллельным соединением вентиля с полным управлением и диода, где K - четное число, большее двух, и аналогичный ключ, каждый из K-2 модулей первого типа состоит из трех последовательно соединенных разноименными выводами ключей, первый из первой группы K/2-1 каскадно соединенных модулей первого типа подсоединен первым выводом к положительному выводу высокого напряжения, первый из второй группы K/2-1 каскадно соединенных модулей первого типа подсоединен четвертым выводом к отрицательному выводу высокого напряжения, при подсоединении последующих модулей указанных групп первые и вторые выводы модулей подсоединены, соответственно, к третьим и к четвертым выводам соседних модулей, где первый вывод каждого из модулей первого типа соответствует выводу катода диода первого из последовательно соединенных ключей, второй вывод соответствует точке соединения анода диода второго ключа и катода диода третьего ключа, третий вывод - точке соединения анода диода первого ключа и катода диода второго ключа, а четвертый - выводу анода диода третьего ключа, один из двух выводов высокого напряжения, либо положительный, либо отрицательный, подсоединен к соответствующему выводу первого модуля соответствующей группы модулей первого типа непосредственно, а второй - через указанный аналогичный ключ, подсоединенный либо катодом диода к положительному выводу высокого напряжения, либо анодом диода к отрицательному выводу высокого напряжения, K конденсаторов подсоединены между первым и вторым выводами, а также между третьим и четвертым выводами модулей первого типа по одному без дублирования в точках соединения соседних модулей первого типа, дополнительно введены трансформатор, имеющий одну первичную и одну вторичную обмотки, и реверсивный по току выпрямитель, модуль второго типа состоит из двух последовательно соединенных разноименными выводами аналогичных ключей, первый вывод модуля второго типа, соответствующий катоду диода первого ключа, подсоединен к третьему выводу последнего модуля первой группы K/2-1 каскадно соединенных модулей первого типа, а второй вывод модуля второго типа, соответствующий аноду диода второго ключа, подсоединен к второму выводу последнего модуля второй группы K/2-1 каскадно соединенных модулей первого типа, модуль третьего типа представляет собой двунаправленный полностью управляемый электрический вентиль и состоит, например, из двух последовательно соединенных одноименными выводами аналогичных ключей, первый вывод модуля третьего типа подсоединен к четвертому выводу последнего модуля первой группы и к первому выводу последнего модуля второй группы K/2-1 каскадно соединенных модулей первого типа, а также к первому выводу первичной обмотки трансформатора, второй вывод модуля третьего типа подсоединен к точке соединения ключей модуля второго типа, а также к второму выводу первичной обмотки трансформатора, выводы вторичной обмотки трансформатора подсоединены к входным выводам реверсивного выпрямителя, выходные выводы которого служат выводами низкого напряжения преобразователя.
На фиг.1 представлена схема предлагаемого двунаправленного понижающего преобразователя постоянного напряжения, с отношением величины высокого напряжения к амплитуде импульсов напряжения на первичной обмотке трансформатора, равным K, а на фиг.2 представлены временные диаграммы напряжений и токов, поясняющие принцип его работы.
Предлагаемый двунаправленный понижающий преобразователь постоянного напряжения (фиг.1) содержит 2·(K/2-1)=K-2 ключевых модулей (M) 1, каждый из которых состоит из трех последовательно соединенных разноименными выводами ключей, образованных встречно-параллельным соединением вентиля с полным управлением 2, например, транзистора, и диода 3, где K - четное число, большее двух, равное отношению величины высокого напряжения к амплитуде импульсов1 напряжения первичной обмотки трансформатора. Первый вывод каждого из ключевых модулей 1 соответствует выводу катода диода 3 первого из последовательно соединенных ключей, второй вывод соответствует точке соединения анода диода 3 второго ключа и катода диода 3 третьего ключа, третий вывод - точке соединения анода диода 3 первого ключа и катода диода 3 второго ключа, а четвертый - выводу анода диода 3 третьего ключа. Кроме того, данный двунаправленный понижающий преобразователь постоянного напряжения содержит ключевые модули 4 и 5, одиночный аналогичный ключ, K конденсаторов 6, а также трансформатор (T) 7 и реверсивный по току выпрямитель (PB) 8. Модуль 4 состоит из двух последовательно соединенных разноименными выводами аналогичных ключей, его первый вывод соответствует катоду диода 3 первого ключа, а второй вывод - аноду диода 3 второго ключа. Модуль 5 представляет собой двунаправленный полностью управляемый, электрический вентиль и состоит, например, из двух последовательно соединенных одноименными выводами аналогичных ключей. Трансформатор 7 имеет одну первичную и одну вторичную обмотки и обладает характеристиками, позволяющими ему работать на повышенной частоте (несколько килогерц). Реверсивный по току (с двухквадрантной внешней характеристикой) выпрямитель 8 собран на управляемых вентилях, например, на тиристорах, по любой известной схеме (см., например, с.598 в издании: Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники: Учеб. пособие. Изд. 3-е, испр. и доп. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. 672 с.). Первый из первой группы K/2-1 каскадно-соединенных модулей 1 подсоединен первым выводом к положительному выводу высокого напряжения, первый из второй группы K/2-1 каскадно соединенных модулей 1 подсоединен четвертым выводом к отрицательному выводу высокого напряжения, причем один из двух выводов высокого напряжения подсоединен к соответствующему выводу модуля 1 соответствующей группы модулей 1 непосредственно, а второй - через указанный аналогичный ключ, подсоединенный либо катодом диода 3 к положительному выводу высокого напряжения, либо анодом диода 3 к отрицательному выводу высокого напряжения. При подсоединении последующих модулей указанных групп первые и вторые выводы модулей 1 подсоединены, соответственно, к третьим и к четвертым выводам соседних модулей 1. K конденсаторов подсоединены между первым и вторым выводами, а также между третьим и четвертым выводами модулей 1 по одному без дублирования в точках соединения соседних модулей 1. Первый вывод модуля 4 подсоединен к третьему выводу последнего модуля 1 первой группы K/2-1 каскадно соединенных модулей 1, а второй вывод модуля 4 - к второму выводу последнего модуля 1 второй группы K/2-1 - каскадно соединенных модулей 1. Первый вывод модуля 5 подсоединен к четвертому выводу последнего модуля 1 первой группы и к первому выводу последнего модуля 1 второй группы K/2-1 каскадно соединенных модулей 1, а также к первому выводу первичной обмотки трансформатора 7, второй вывод модуля 5 подсоединен к точке соединения ключей модуля 4, а также к второму выводу первичной обмотки трансформатора 7. Выводы вторичной обмотки трансформатора 7 подсоединены к входным выводам реверсивного выпрямителя 8, выходные выводы которого служат выводами низкого напряжения преобразователя.
Увеличение на два отношения величины высокого напряжения к амплитуде импульсов напряжения на первичной обмотке трансформатора K достигается увеличением на два числа каскадно подключаемых модулей 1 (по одному в первой и во второй группах этих модулей) и конденсаторов 6.
high
high
low
low
lowmax
high
тр
тр
lowcp
low
high
Предлагаемый двунаправленный понижающий преобразователь постоянного напряжения, с отношением величины высокого напряжения к амплитуде импульсов напряжения на первичной обмотке трансформатора 7, равным K, где K - четное число, большее двух (фиг.1), работает следующим образом. Конденсаторы 6 одинаковой емкости используются при одной полярности напряжения. На интервалах заряда все K конденсаторов 6 через соответствующие открытые ключи модулей 1 подсоединяются последовательно и через аналогичный ключ подключаются к выводам высокого напряжения с напряжением U, таким образом, каждый из них заряжается примерно до напряжения U/K, при этом выводы первичной обмотки трансформатора 7 соединяются накоротко играющим роль нулевого вентиля двунаправленным полностью управляемым электрическим вентилем (модуль 5), формируя тем самым нулевую паузу выходного напряжения u. На нечетном интервале разряда конденсаторы 6, расположенные в левой части схемы (фиг.1), через соответствующие открытые ключи модулей 1 первой группы подсоединяются параллельно друг другу и через открытый нижний ключ модуля 4 подключаются к выводам первичной обмотки трансформатора 7, образуя импульс напряжения положительной полярности. На четном интервале разряда, конденсаторы 6, расположенные в правой части схемы (фиг.1), через соответствующие открытые ключи модулей 1 второй группы подсоединяются параллельно друг другу и через открытый верхний ключ модуля 4 подключаются к выводам первичной обмотки трансформатора 7, образуя импульс напряжения отрицательной полярности. На выходе выпрямителя 8 однополярные импульсы выходного напряжения u имеют амплитуду U=U/(K·K), где K - коэффициент трансформации трансформатора 7. Плавное регулирование среднего значения U выходного низкого напряжения u, питающего, например, тяговый двигатель, может осуществляться, например, методом широтно-импульсного регулирования скважности импульсов положительной и отрицательной полярности напряжений соответствующих первичных обмоток трансформатора 7. Как и в прототипе, напряжения на каждом из ключей модулей 1 и на каждом из конденсаторов 6 не превышают U/K.
lowcp
low
low
high
Рекуперация электрической энергии имеет место в режиме генераторного торможения, когда ЭДС тяговой машины, подключенной последовательно со сглаживающим реактором к выходным выводам реверсивного по току выпрямителя 8, оказывается больше среднего значения U напряжения последовательности импульсов конвертора u. Включенные параллельно конденсаторы 6 конвертора заряжаются от импульсов соответствующих полярностей ЭДС, наводимой в первичной обмотке трансформатора 7. Во время нулевой паузы последовательности импульсов u ток машины нарастает, накапливая энергию в индуктивности сглаживающего реактора. Конденсаторы 6 при этом включаются последовательно и, имея результирующее напряжение больше напряжения контактной сети U на выводах высокого напряжения, разряжаются на сеть, возвращая в нее энергию.
in
C1
C2
1
1
low
out
low
lmax
1max
high
На фиг.2 для одного из вариантов алгоритма управления, для случая тиристорного реверсивного выпрямителя с нулевым углом управления, показаны временные диаграммы входного тока (потребляемого от источника высокого напряжения) i, напряжений на конденсаторах левой и правой частей схемы u и u, напряжения и тока первичной обмотки трансформатора 7 u и i, выходных напряжения u, и тока i предлагаемого двунаправленного понижающего преобразователя постоянного напряжения, выполненного по схеме фиг.1 при K=6. При этом использованы следующие обозначения: Tc - период переменного напряжения, например, на первичной обмотке трансформатора 7, Tc/2 - период повторения последовательности импульсов выходного низкого напряжения на выходе реверсивного выпрямителя 8 и всего преобразователя в целом u; U - наибольшее значение напряжения первичной обмотки трансформатора 7, U=U/K.
Таким образом, предлагаемый двунаправленный понижающий преобразователь постоянного напряжения по сравнению с прототипом лучше использует нагрузку по изоляции, т.е. благодаря обеспечению гальванической развязки питающей сети и нагрузки, имеет меньшие требования к изоляции, что приводит к увеличению надежности изоляции выходных цепей преобразователя и нагрузки.