ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ СХЕМА И СИСТЕМА С ТАКОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ СХЕМОЙ
CONVERSION CIRCUIT AND SYSTEM WITH SUCH CONVERSION CIRCUIT

Область техники
Изобретение относится к области силовой электроники. Изобретение касается преобразовательной схемы и системы с такой преобразовательной схемой в соответствии с ограничительными частями независимых пунктов формулы.
Уровень техники
В настоящее время во многих областях, прежде всего в промышленности и областях применения тяги, например на железных дорогах, используются преобразовательные схемы. Преобразовательная схема для преобразования первого постоянного напряжения во второе постоянное напряжение описана, например, в публикации DE 19750041 С1. В ней преобразовательная схема включает в себя повышающий преобразователь и подключенный к нему со стороны выхода преобразователь, в частности в виде полумостовой схемы, причем преобразователь содержит образованную емкостными накопителями энергии цепь постоянного напряжения, а со стороны выхода через дроссель соединен с вторичной обмоткой трансформатора. Кроме того, преобразовательная схема включает в себя выпрямитель, который со стороны входа соединен с вторичной обмоткой трансформатора. Управление повышающим преобразователем и преобразователем в DE 19750041 С1 происходит таким образом, что емкостные накопители энергии, дроссель и индуктивность рассеяния трансформатора образуют резонансный колебательный контур, т.е. повышающий преобразователь прикладывает со стороны выхода к емкостным накопителям энергии соответствующее переменное напряжение за счет тактирования постоянного напряжения на своем входе, так что резонансный колебательный контур приводится в резонанс.
Проблемой описанной преобразовательной схемы является то, что, несмотря на упомянутый резонансный колебательный контур, в силовых полупроводниковых выключателях преобразователя по-прежнему возникают коммутационные потери, которые подвергают их сильной нагрузке, в частности тепловой. В результате силовые полупроводниковые выключатели соответственно быстро стареют, а интенсивность их отказов возрастает с продолжительностью эксплуатации преобразовательной схемы. Высокая готовность преобразовательной схемы к эксплуатации, обязательная, например, в области создания тяги, в этом случае отсутствует.
В US 6344979 В1 также описана преобразовательная схема, например на фиг.4, включающая в себя резонансный преобразователь, трансформатор, выпрямитель, соединенный со стороны входа с вторичной обмоткой трансформатора, и соединенную с резонансным преобразователем и первичной обмоткой трансформатора CLL-резонансную схему, которая содержит резонансную емкость, а также первую и вторую резонансные индуктивности.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является создание улучшенной преобразовательной схемы, которая обладала бы небольшими коммутационными потерями и представляла бы собой альтернативное решение по сравнению с уровнем техники, в частности DE 19750041 С1 и US 6344979 В1. Другой задачей является создание системы с преобразовательными схемами, которая может быть реализована особенно просто. Эти задачи решаются посредством признаков п.1 и п.7 формулы изобретения соответственно. В зависимых пунктах приведены предпочтительные варианты осуществления изобретения.
Предложенная преобразовательная схема включает в себя повышающий преобразователь, резонансный преобразователь, трансформатор, выпрямитель, который со стороны входа соединен с вторичной обмоткой трансформатора, и соединенную с резонансным преобразователем и первичной обмоткой трансформатора резонансную CLL-схему, которая содержит резонансную емкость, а также первую и вторую резонансные индуктивности. Согласно изобретению резонансная емкость последовательно соединена с первой резонансной индуктивностью, причем первая резонансная индуктивность соединена с первой точкой соединения первичной обмотки трансформатора. Далее резонансная емкость соединена с резонансным преобразователем, а вторая резонансная индуктивность - с точкой соединения резонансной емкости с первой резонансной индуктивностью, причем вторая резонансная индуктивность соединена с точкой соединения первичной обмотки трансформатора, а вторая точка соединения первичной обмотки трансформатора - с резонансным преобразователем. Резонансная CLL-схема выполнена тем самым в виде Т-образной схемы.
Посредством резонансной CLL-схемы, управляемой резонансным преобразователем таким образом, что она колеблется со своей резонансной частотой, помимо обесточенного включения и выключения преимущественно используемых управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей резонансного преобразователя возможно также их включение и выключение не под напряжением. За счет этого возможны дополнительное уменьшение коммутационных потерь управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей резонансного преобразователя и преобразование с малыми потерями приложенного к входу повышающего преобразователя первого постоянного напряжения во второе постоянное напряжение на выходе выпрямителя. За счет уменьшения коммутационных потерь соответственно возрастает срок службы управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей, а частота отказов преобразовательной схемы может поддерживаться на низком уровне, так что предпочтительно возникает высокая готовность преобразовательной схемы к эксплуатации. Таким образом, преобразовательная схема представляет собой к тому же альтернативное решение по сравнению с уровнем техники.
Предложенная система содержит, по меньшей мере, две описанные выше преобразовательные схемы, причем повышающие преобразователи преобразовательных схем соединены между собой со стороны входа параллельно или последовательно. Таким образом, система выполнена просто, причем посредством параллельного со стороны входа соединения повышающих преобразователей предпочтительно возможен большой входной постоянный ток и тем самым может передаваться повышенная электрическая энергия. Последовательное со стороны входа соединение повышающих преобразователей обеспечивает высокое входное постоянное напряжение и тем самым также передачу большой электрической энергии.
Эти и другие задачи, преимущества и признаки изобретения становятся очевидными из нижеследующего подробного описания предпочтительных вариантов его осуществления в сочетании с чертежами.
Краткое описание чертежей
На чертежах представлены:
фиг.1 - первый вариант преобразовательной схемы;
фиг.2 - второй вариант преобразовательной схемы;
фиг.3 - первый вариант системы с преобразовательными схемами из фиг.1;
фиг.4 - второй вариант системы с преобразовательными схемами из фиг.1;
фиг.5 - третий вариант системы с преобразовательными схемами из фиг.2;
фиг.6 - четвертый вариант системы с преобразовательными схемами из фиг.2.
Ссылочные позиции на чертежах и их значение объединены в перечне. В принципе, одинаковые элементы обозначены одинаковыми ссылочными позициями. Описанный вариант, который следует понимать как пример, не имеет ограничительного действия.
Осуществление изобретения
На фиг.1 изображен первый, а на фиг.2 второй вариант предложенной преобразовательной схемы. Она включает в себя повышающий преобразователь 1, подключенный к нему со стороны выхода резонансный преобразователь 2, трансформатор 3 и выпрямитель 4, который со стороны входа соединен с вторичной обмоткой N2 трансформатора 3. Повышающий преобразователь 1 может быть выполнен, как на фиг.1, или в любом возможном и известном специалисту варианте. Выпрямитель 4 также может быть выполнен, как на фиг.1, или в любом возможном и известном специалисту варианте. Далее преобразовательная схема включает в себя соединенную с резонансным преобразователем 2 и первичной обмоткой N1 трансформатора 3 резонансную CLL-схему 5, которая содержит резонансную емкость C, а также первую L1 и вторую L2 резонансные индуктивности.
Согласно изобретению резонансная емкость C последовательно соединена с первой резонансной индуктивностью L1, причем первая резонансная индуктивность L1 соединена с первой точкой А соединения первичной обмотки N1 трансформатора 3, а резонансная емкость С - с резонансным преобразователем 2. Вторая резонансная индуктивность L2 соединена с точкой соединения резонансной емкости С с первой резонансной индуктивностью L1, причем вторая резонансная индуктивность L2 соединена со второй точкой В соединения первичной обмотки N1 трансформатора 3, а вторая точка В соединения первичной обмотки N1 трансформатора 3 - с резонансным преобразователем 2. Управление резонансной CLL-схемой 5 осуществляется резонансным преобразователем 2 преимущественно таким образом, что она совершает колебания со своей резонансной частотой. За счет этого помимо обесточенного включения и выключения преимущественно используемых управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей резонансного преобразователя 2 возможно также их включение и выключение не под напряжением. Таким образом, могут быть дополнительно уменьшены коммутационные потери управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей резонансного преобразователя 2, предпочтительно возможно преобразование с малыми потерями приложенного к входу повышающего преобразователя 1 первого постоянного напряжения во второе постоянное напряжение на выходе выпрямителя 4. За счет уменьшения коммутационных потерь соответственно возрастает срок службы управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей, а частота отказов преобразовательной схемы может поддерживаться на низком уровне, так что предпочтительно возникает высокая готовность преобразовательной схемы к эксплуатации. Оказалось особенно предпочтительным, если управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели резонансного преобразователя 2 при работе коммутируют с коммутационной частотой, соответствующей резонансной частоте резонансной CLL-схемы 5, поскольку тогда при обесточенном и не под напряжением включении и выключении управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей возникают особенно низкие коммутационные потери. Если коммутационная частота управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей выше резонансной частоты, то выработанные в результате процессов коммутации управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей колебания могут поддерживаться в нужной степени на низком уровне как на входной стороне преобразовательной схемы, т.е. на входе повышающего преобразователя 1, так и на выходной стороне преобразовательной схемы, т.е. на выходе выпрямителя 4, причем коммутационные потери управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей по-прежнему низкие.
На фиг.1 резонансный преобразователь 2 содержит первый емкостный накопитель С1 энергии, последовательно соединенный с первым емкостным накопителем С1 энергии второй емкостный накопитель С2 энергии, третий емкостный накопитель С3 энергии, а также первый S1, второй S2, третий S3 и четвертый S4 управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели, которые соединены последовательно. Первый емкостный накопитель С1 энергии соединен с первым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем S1, а второй емкостный накопитель С2 энергии - с четвертым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем S4. Третий емкостный накопитель С3 энергии соединен с точкой соединения первого S1 и второго S2 управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей и с точкой соединения третьего S3 и четвертого S4 управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей. Резонансная емкость С соединена с точкой соединения второго S2 и третьего S3 управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей, а вторая точка В соединения первичной обмотки N1 трансформатора 3 - с точкой соединения второго емкостного накопителя С2 энергии с четвертым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем S4. Третий емкостный накопитель С3 энергии обеспечивает стабилизацию напряжения на управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателях S1, S2, S3, S4, которое, в частности, соответствует половине напряжения, приложенного к первому С1 и второму С2 емкостным накопителям энергии.
В преобразовательной схеме на фиг.1 управление первым S1, вторым S2, третьим S3 и четвертым S4 управляемыми двунаправленными силовыми полупроводниковыми выключателями осуществляется соответственно посредством управляющего сигнала, который формируется с помощью импульсно-широтной модуляции. Коммутационная частота управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей S1, S2, S3, S4 определяется управляющим сигналом. Для достижения уже упомянутых преимуществ управляющий сигнал для первого управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя S1 совпадает по фазе с сигналом несущей частоты импульсно-широтной модуляции. В противоположность этому управляющий сигнал для второго управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя S2 находится в противофазе к сигналу несущей частоты импульсно-широтной модуляции. Особенно предпочтительно коэффициент модуляции управляющих сигналов первого S1 и второго S2 управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей выбирается порядка 25% и 75% соответственно. В качестве управляющего сигнала для третьего управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя S3 выбирается тогда комплементарный управляющий сигнал для второго управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя S2, а в качестве управляющего сигнала для четвертого управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя S4 - комплементарный управляющий сигнал для второго управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя S2.
На фиг.2 резонансный преобразователь 2 содержит первый емкостный накопитель С1 энергии, последовательно соединенный с первым емкостным накопителем С1 энергии второй емкостный накопитель С2 энергии, а также первый S1, второй S2, третий S3 и четвертый S4 управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели, которые соединены последовательно. Первый емкостный накопитель С1 энергии соединен с первым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем S1, точка соединения первого С1 и второго С2 емкостных накопителей энергии соединена с точкой соединения второго S2 и третьего S3 управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей, а второй емкостный накопитель С2 энергии соединен с четвертым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем S4. Резонансная емкость С соединена с точкой соединения первого S1 и второго S2 управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей, а вторая точка В соединения первичной обмотки N1 трансформатора 3 - с точкой соединения третьего S3 и четвертого S4 управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей.
В преобразовательной схеме на фиг.2 управление первым S1, вторым S2, третьим S3 и четвертым S4 управляемыми двунаправленными силовыми полупроводниковыми выключателями осуществляется соответственно посредством управляющего сигнала, который формируется с помощью импульсно-широтной модуляции. Для достижения уже упомянутых преимуществ управляющий сигнал для первого управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя S1 совпадает по фазе с сигналом несущей частоты импульсно-широтной модуляции. В противоположность этому управляющий сигнал для четвертого управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя S4 находится в противофазе к сигналу несущей частоты импульсно-широтной модуляции. Особенно предпочтительно коэффициент модуляции управляющих сигналов первого S1 и четвертого S4 управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей выбирается порядка 25% и 75% соответственно. В качестве управляющего сигнала для второго управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя S2 выбирается тогда комплементарный управляющий сигнал для первого управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя S1, а в качестве управляющего сигнала для третьего управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя S3 - комплементарный управляющий сигнал для четвертого управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя S4.
Возможна также интеграция второй резонансной индуктивности L2 в трансформатор 3. Возможно также, чтобы первая резонансная индуктивность L1 была либо дополнительной, либо интегрированной в трансформатор 3. Благодаря этим мерам можно сэкономить место и упростить изготовление, в частности монтаж, преобразовательной схемы.
Преимущественно первый S1, второй S2, третий S3 и четвертый S4 управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели представляют собой соответственно коммутируемый по затвору запираемый тиристор (IGCT - Integrated Gate-Commutated Thyristor) с соответствующим параллельно включенным диодом. Такой тиристор имеет особенно низкие потери активной мощности при одновременно высокой стабильности, прежде всего при высоких напряжениях, и в частности перенапряжениях. Возможно также выполнение первого S1, второго S2, третьего S3 и четвертого S4 управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей, как в вариантах на фиг.1-6, соответственно в виде биполярного транзистора с изолированным управляющим электродом (IGBT - Insulated Gate Bipolartransistor) с соответствующим параллельно включенным диодом. Такой транзистор отличается высокой коммутационной частотой и тем самым небольшими колебаниями по току и напряжению.
Предложенная система содержит, по меньшей мере, две описанные выше преобразовательные схемы, причем их повышающие преобразователи 1 соединены между собой со стороны входа параллельно или последовательно. Таким образом, система выполнена простой, причем посредством параллельного со стороны входа соединения повышающих преобразователей 1 предпочтительно возможен большой входной постоянный ток и тем самым может передаваться повышенная электрическая энергия. Последовательное со стороны входа соединение повышающих преобразователей 1 обеспечивает высокое входное постоянное напряжение и тем самым также передачу большой электрической энергии. Кроме того, в предложенной системе возможно соединение между собой выпрямителей 4 преобразовательных схем со стороны выхода параллельно или последовательно. За счет параллельного со стороны выхода соединения выпрямителей 4 предпочтительно возможен большой выходной постоянный ток. Последовательное со стороны выхода соединение выпрямителей 4 обеспечивает высокое выходное постоянное напряжение. На фиг.3 изображен первый вариант системы с двумя преобразовательными схемами из фиг.1, причем повышающие преобразователи 1 со стороны входа соединены последовательно, а выпрямители 4 со стороны выхода - параллельно. На фиг.4 изображен второй вариант системы с двумя преобразовательными схемами из фиг.1, причем повышающие преобразователи 1 со стороны входа соединены параллельно, а выпрямители 4 со стороны выхода - последовательно. На фиг.5 изображен третий вариант системы с двумя преобразовательными схемами из фиг.2, причем повышающие преобразователи 1 со стороны входа соединены последовательно, а выпрямители 4 со стороны выхода - параллельно. На фиг.6 изображен четвертый вариант системы с двумя преобразовательными схемами из фиг.3, причем повышающие преобразователи 1 со стороны входа соединены параллельно, выпрямители 4 со стороны выхода - параллельно.
Перечень позиций
1 - повышающий преобразователь
2 - резонансный преобразователь
3 - трансформатор
4 - выпрямитель
5 - резонансная CLL-схема