ДВУХТАКТНЫЙ DC-DC ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ДРОССЕЛЕМ В ЦЕПИ ПИТАНИЯ
TWO-STROKE DC-DC CONVERTER WITH THROTTLE IN SUPPLY CIRCUIT

Предлагаемое устройство относится к силовой преобразовательной технике и является устройством, реализующим энергетически-эффективный импульсный способ регулирования мощности, передаваемой в нагрузку.
Двухтактный DC-DC преобразователь, рассматриваемый как прототип (патент РФ №2635364), содержит основной дроссель, мостовую схему, составленную силовыми управляемыми ключами (силовыми транзисторами), трансформатор с первичной и вторичной обмотками, выпрямитель тока вторичной обмотки и конденсатор выходного фильтра, а также дополнительный дроссель, первый и второй диоды и дополнительный конденсатор.
Существенные признаки предлагаемого устройства, совпадающие с аналогичными признаками прототипа, состоят в следующем.
Между шиной питания и нулевой шиной включены соединенные последовательно силовая обмотка основного дросселя и входная цепь упомянутой мостовой схемы, а выходная цепь этой схемы соединена с первичной обмоткой трансформатора.
Вторичная обмотка трансформатора через выпрямитель ее тока подключена к конденсатору выходного фильтра, шунтированного нагрузкой.
Обмотка дополнительного дросселя и первый диод, соединенные последовательно, образуют первую последовательную цепь. Ее первый вывод соединен с нулевой шиной устройства, а второй вывод через второй диод подключен к шине питания устройства.
Первый и второй диоды, соединенные последовательно, включены согласно;
Ко второму выводу первой последовательной цепи, кроме того, подключен первый вывод дополнительного конденсатора.
Существенные отличительные признаки предлагаемого устройства, состоят в том, что:
В устройство введены дополнительный диод и дополнительный управляемый ключ (дополнительный силовой транзистор).
Дополнительный диод и выходная цепь дополнительного управляемого ключа (дополнительного силового транзистора) соединены последовательно и образуют вторую последовательную цепь. Она включена параллельно входной цепи упомянутой мостовой схемы, причем выходная цепь дополнительного силового транзистора соединена одним выводом с нулевой шиной.
Второй вывод дополнительного конденсатора непосредственно соединен с общей точкой дополнительного диода и выходной цепи дополнительного силового транзистора.
Во втором варианте предлагаемого устройства в силовой дроссель введена вторичная обмотка. Она соединена последовательно с обмоткой дополнительного дросселя и вторым диодом, т.е. дополняет первую последовательную цепь.
Целью предложения, содержащегося в данной заявке, является повышение энергетической эффективности и надежности устройства. Поставленная цель достигается в результате взаимодействия известных и отличительных признаков предлагаемого устройства, принцип действия которого рассматривается ниже.
Электрические схемы первого и второго вариантов предлагаемого устройства представлены соответственно на фиг. 1 и фиг. 2.
В схеме на фиг. 1 между шиной питания 1 устройства и его нулевой шиной 2 включен источник энергии 3 в виде источника напряжения. К шинам 1 и 2, кроме того, подключены соединенные последовательно силовая обмотка 4 основного дросселя и входная цепь мостовой схемы 5, образованной силовыми управляемыми ключами (силовыми транзисторами). В дальнейшем для сокращения в тексте будет использоваться термин «силовой транзистор» вместо термина «силовой управляемый ключ».
Два вывода выходной цепи упомянутой мостовой схемы 5 непосредственно соединены с выводами первичной обмотки 6 трансформатора 7. Вторичная обмотка 8 трансформатора 7 через выпрямитель 9 подключена к конденсатору 10 выходного фильтра. Параллельно этому конденсатору включена нагрузка 11.
Обмотка дополнительного дросселя 12 и первый диод 13 образуют первую последовательную цепь. Ее первый вывод соединен с нулевой шиной 2, а второй вывод этой цепи через второй диод 14 подключен к шине питания 1 устройства. Первый и второй диоды 13 и 14 соединены согласно.
Ко второму выводу второй последовательной цепи, кроме того, подключен первый вывод дополнительного конденсатора 15.
Параллельно входной цепи мостовой схемы 5, образованной силовыми транзисторами, включены дополнительный диод 16 и выходная цепь дополнительного силового транзистора 17. Эти элементы соединены последовательно и образуют вторую последовательную цепь.
Второй вывод конденсатора 15 непосредственно соединен с общей точкой дополнительного диода 16 и первым выводом выходной цепи дополнительного силового транзистора 17. Второй вывод выходной цепи этого транзистора подключен к нулевой шине 2.
Во второй схеме на фиг. 2 основной дроссель дополнен вторичной обмоткой 18. Она включена в первую последовательную цепь и соединена последовательно с обмоткой дросселя 12.
Цели технического решения, предлагаемого в данной заявке, достигаются, благодаря взаимодействию существенных известных и отличительных признаков предлагаемого устройства. Принцип действия схемы рассматривается ниже.
В двухтактном DC-DC преобразователе каждый из двух силовых транзисторов, противолежащих в мостовой схеме 5, находится в состоянии проводимости время, превышающее половину периода работы устройства. При этом отпирание первой пары противолежащих силовых транзисторов совпадает с началом периода работы устройства, а отпирание второй пары задержано относительно начала периода на время, равное его половине. При таком алгоритме управления в начале каждой половины периода работы устройства (в начале каждого такта работы, нечетного и четного) возникают интервалы, когда одновременно в состоянии проводимости находятся все силовые транзисторы мостовой схемы, и тогда входная цепь этой схемы закорочена. При этом к силовой обмотке 4 основного дросселя оказывается приложенным практически полностью напряжение питания, и в дросселе накапливается энергия.
Во вторую часть нечетных тактов в мостовой схеме 5 в замкнутом состоянии находятся первый силовой транзистор и противолежащий ему четвертый силовой транзистор. При этом ток силовой обмотки 4 основного дросселя протекает по первичной обмотке 6 трансформатора 7 в направлении от начала этой обмотки к ее концу. В результате на обмотках трансформатора возникает напряжение положительной полярности, причем напряжение на первичной обмотке 6 по абсолютной величине больше напряжения питания. Во второй части каждого из нечетных тактов силовой дроссель отдает энергию, накопленную во время первой части этого такта.
Во вторую часть четных тактов в мостовой схеме 5 в замкнутом состоянии находятся второй силовой транзистор и противолежащий ему третий силовой транзистор. При этом ток силовой обмотки 4 основного дросселя протекает по первичной обмотке 6 трансформатора 7 в направлении от конца этой обмотки к ее началу. В результате на обмотках трансформатора возникает напряжение отрицательной полярности, причем напряжение на первичной обмотке 6 по абсолютной величине больше напряжения питания. Во второй части каждого из четных тактов силовой дроссель отдает энергию, накопленную во время первой части этого такта.
К моменту запирания каждой пары противолежащих силовых транзисторов мостовой схемы 5 дополнительный конденсатор 15 оказывается заряженным. При этом полярность напряжения на конденсаторе такова: плюс на его выводе, который подключен к диоду 14, и минус на выводе, соединенном с диодом 16 (природа появления заряда такой полярности на дополнительном конденсаторе 15 рассматривается далее в тексте). Напряжение такой полярности поддерживает диоды 14 и 16 в непроводящем состоянии.
В момент запирания каждой пары противолежащих силовых транзисторов мостовой схемы 5 (например, второго и третьего) напряжение на ее входе практически мгновенно возрастает до значения, равного разности между напряжением питания, и напряжением, до которого заряжен конденсатор 15. При этом диоды 14 и 16 отпираются, и через них током силовой обмотки 4 основного дросселя начинается перезаряд дополнительного конденсатора 15. При этом напряжение на первичной обмотке 6 трансформатора 7 сначала уменьшается по абсолютной величине, а затем меняет знак и начинает нарастать. Таким же образом изменяется напряжение на вторичной обмотке 8 этого трансформатора.
Пока напряжение на вторичной обмотке 8 меньше, чем напряжение на конденсаторе 10 выходного фильтра, вентильные элементы выпрямителя 9 заперты, и ток вторичной обмотки равен нулю. Когда растущее во времени напряжение на вторичной обмотке 8 превысит то значение, до которого заряжен конденсатор 10 выходного фильтра, на величину, равную порогу отпирания вентильных элементов выпрямителя 9, начнется протекание тока по вторичной обмотке 8. После этого момента напряжение на вторичной обмотке 8 практически перестает изменяться. Оно устанавливается на уровне, который превышает напряжение на конденсаторе 10 выходного фильтра на величину незначительного падения напряжения на вентильных элементах выпрямителя 9.
Из-за существования индуктивности рассеяния между обмотками трансформатора 7, после момента перехода в проводящее состояние вентильных элементов выпрямителя 9 ток вторичной обмотки 8 будет нарастать постепенно. Соответственно также постепенно будет нарастать ток, трансформируемый из первичной обмотки 6 во вторичную обмотку 8. После момента начала трансформации этого тока дополнительный конденсатор 15 будет заряжаться током, который спадает во времени. Он равен разности между током силовой обмотки 4 основного дросселя и током первичной обмотки 6, трансформируемым во вторичную обмотку 8, который во времени растет. В момент, когда ток заряда дополнительного конденсатора 15 снизится до нуля, запираются диоды 14 и 16. При этом напряжение на конденсаторе достигает наибольшего (амплитудного) значения. Оно практически равно разности между напряжением питания и амплитудным значением потенциала в точке соединения дополнительного диода 16 с выходной цепью дополнительного силового транзистора 17. Полярность напряжения на конденсаторе: минус - на выводе, подключенного к диоду 14, плюс - на выводе, который подключен к точке соединения дополнительного диода 16 с выходной цепью дополнительного силового транзистора 17.
В момент запирания диодов 14 и 16, происходит практически скачкообразный переход напряжения на первичной обмотке 6 трансформатора 7 от амплитудного значения к тому значению, которое трансформируется из вторичной обмотки 8 в первичную обмотку 6. При этом превышение амплитудного значения на первичной обмотке 6 над значением, трансформируемым из вторичной обмотки 8, внешне воспринимается как кратковременный выброс напряжения на первичной обмотке 6.
Указанное выше амплитудное значение напряжения, до которого зарядился дополнительный конденсатор 15, сохраняется на нем до начала нового такта. В этот момент отпирается пара силовых транзисторов, противолежащих в мостовой схеме 5, что приводит к началу процесса накопления энергии в силовом дросселе.
Другим сигналом управления, который синхронизирован с сигналом, управляющим силовыми транзисторами, противолежащими в мостовой схеме, отпирается дополнительный силовой транзистор 16. Рационально этот другой сигнал управления задерживать относительно первого сигнала на время перехода в проводящее состояние пары силовых транзисторов, противолежащих друг другу в мостовой схеме.
После отпирания дополнительного силового транзистора 16 конденсатор 15, ранее заряженный, разряжается через выходную цепь этого транзистора, обмотку дросселя 11 и первый диод 12. Процесс разряда имеет колебательный характер. Во время этого процесса, ток обмотки дросселя, замыкающийся через выходную цепь дополнительного силового транзистора 16, изменяется по синусоидальному закону. Этот ток нарастает плавно от нулевого значения, и также плавно снижается до нуля через интервал времени, равный половине периода колебательного процесса. Из-за такого характера изменения тока выходной цепи дополнительного силового транзистора 16 в нем практически отсутствуют коммутационные потери.
Напряжение на конденсаторе 15 изменяется по закону косинусоиды. В конце этого процесса конденсатор 15 оказывается вновь заряженным до того же уровня, какой имел место на интервале запертого состояния дополнительного силового транзистора 16. Однако полярность напряжения на конденсаторе 15 - обратная. А именно: минус на выводе конденсатора, подключенного к точке соединения вывода дополнительного диода 16 и выходной цепи дополнительного силового транзистора 17, и плюс - на выводе этого конденсатора, подключенного ко второму выводу первой последовательной цепи (т.е. к точке соединения диодов 13 и 14 в схеме на фиг. 1).
Длительность указанного выше колебательного процесса целесообразно устанавливать меньше минимальной длительности проводящего состояния пары силовых транзисторов мостовой схемы, которое изменяется в процессе регулирования выходной мощности преобразователя. Это необходимо для того, чтобы конденсатор 15 успел полностью перезарядиться к моменту начала запирания пары силовых транзисторов мостовой схемы.
Длительность второго управляющего сигнала рационально устанавливать чуть больше половины периода колебательного процесса. В этом случае дополнительный силовой транзистор 16 запирается сразу по завершении этого процесса. В непроводящем состоянии он будет находиться на интервале, когда пара силовых транзисторов, противолежащих в мостовой схеме, будет пребывать в состоянии проводимости.
Если значение напряжения на дополнительном конденсаторе 15 в начале процесса запирания пары противолежащих силовых транзисторов мостовой схемы меньше напряжения питания, то разность потенциалов между выводами их выходной цепи скачкообразно нарастает до уровня, который равен разности между питающим напряжением и указанным значением напряжения на конденсаторе 15. После момента скачкообразного нарастания напряжения на паре силовых транзисторов, т.е. на входе транзисторной мостовой схемы, оно начинает нарастать плавно вследствие перезаряда конденсатора 15 током обмотки 4 силового дросселя.
В предлагаемой схеме уровень напряжения в момент скачкообразного его нарастания на входной цепи транзисторной мостовой схемы меньше, чем в исходной схеме. Это связано с тем, что в предлагаемой схеме конденсатор 15 заряжается до амплитуды напряжения на первичной обмотке 6 трансформатора 5, а в исходной схеме - до установившегося значения, которое меньше амплитудного.
Таким образом, применение описанного технического решения позволяет снизить начальный скачок напряжения на паре силовых транзисторов мостовой схемы при их запирании. Путем выбора соответствующего значения емкости конденсатора 15 создаются условия для плавного нарастания этого напряжения до уровня, который меньше напряжения пробоя выходной цепи основного силовых транзисторов мостовой схемы. Тем самым снижается уровень коммутационных потерь энергии в этих транзисторах при их запирании и повышается надежность работы приборов. Это приводит к повышению надежности работы преобразователя напряжения в целом и увеличению энергетической эффективности процесса преобразования энергии.
В схеме на фиг. 2 дополнительная вторичная обмотка 18 силового дросселя обеспечивает условия для того, чтобы в колебательном процессе перезаряда конденсатора 15 на интервале состояния высокой проводимости дополнительного силового транзистора 17 конечное значение напряжения на конденсаторе установилось бы на уровне напряжения питания. При этом отпирается второй диод 14, и тогда излишек энергии, запасенной в дополнительном дросселе 12, возвращается в источник питания 3. В таком режиме работы преобразователя при запирании пары силовых транзисторов мостовой схемы начальный скачок напряжения на них будет отсутствовать. Поэтому напряжение на приборах начнет плавно нарастать практически от нулевого уровня, что дополнительно способствует снижению уровня коммутационных потерь при запирании.
Если коэффициент трансформации вторичной обмотки 18 установить равным половине, то к моменту запирания дополнительного транзистора 17 конденсатор 15 окажется заряженным до уровня напряжения питания, причем это будет иметь место независимо от значения выходного напряжения двухтактного преобразователя.
Введение в схему дополнительных элементов и предложенное в заявке их соединение дает возможность оставить без увеличения потери мощности в силовых транзисторах мостовой схемы в состоянии их проводимости, что повышает надежность их работы и работы преобразователя в целом. При этом дополнительные потери мощности, возникающие от протекания полуволны тока колебательного процесса, переносятся в дополнительный силовой транзистор 17.