ДВУХТАКТНЫЙ МОСТОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
TWO-STROKE BRIDGE CONVERTER

Предлагаемое устройство относится к силовой преобразовательной технике и предназначено для преобразования и регулирования энергии, потребляемой от источника постоянного тока, и передачи преобразованной энергии ее приемнику с использованием трансформаторной связи между цепями источника и приемника энергии.
Известен двухтактный преобразователь, который содержит силовые управляемые ключи, соединенные по мостовой схеме, а также цепь, образованную соединенными последовательно первой обмоткой магнитного накопителя энергии, конденсатором и первичной обмоткой. Первичная обмотка связана магнитно с вторичной обмоткой, подключенной через выпрямительные диоды к нагрузке постоянного тока, шунтированной конденсатором фильтра (В.И.Мелешин. Транзисторная преобразовательная техника. - М.: Техносфера. 2005, рис.13.7-а, стр.295).
В известном устройстве для регулирования энергии, передаваемой потребителю, использованы резонансные явления, возникающие в LC-цепи, образованной обмоткой магнитного накопителя энергии и конденсатором, которые соединены друг с другом последовательно.
Недостатком известного устройства является существование принципиальной возможности нарастания энергии, накапливаемой в элементах LC-цепи, которое происходит от одного такта работы устройства к другому. Это нарастание характеризуется увеличением от такта к такту амплитуды напряжения на конденсаторе LC-цепи и амплитуды тока, протекающего по элементам LC-цепи, коммутируемого силовыми транзисторами. В процессе такого нарастания как амплитуда напряжения на конденсаторе, так и амплитуда тока могут достигать неопределенно больших значений. В частности, амплитуда напряжения на конденсаторе может многократно превзойти напряжение источника питания. Как следствие, снижается надежность работы устройства и ухудшается его энергетическая эффективность.
Накопление энергии в элементах LC-цепи, сопровождаемое нарастанием амплитуд напряжений на них и тока LC-цепи, подтверждается результатами моделирования импульсных процессов в известной схеме.
Целью предлагаемых технических решений является повышение надежности работы преобразователя напряжения и улучшение его энергетических показателей.
Поставленная цель достигается тем, что в двухтактный преобразователь, содержащий силовые управляемые ключи, соединенные по мостовой схеме, входная цепь которой подключена к шинам питания, и цепь, образованную включенными последовательно первой обмоткой магнитного накопителя энергии, конденсатором и первой первичной обмоткой, которая связана магнитно с вторичной обмоткой, подключенной к нагрузке, введены дополнительно диодная мостовая схема, вторая обмотка магнитного накопителя и вторая первичная обмотка, которая связана магнитно с вторичной обмоткой, подключенной к нагрузке. В предлагаемом устройстве:
первый и второй выводы входной цепи диодной мостовой схемы соединены соответственно с первым и вторым выводами конденсатора, а выводы выходной цепи диодной мостовой схемы соединены с шинами питания устройства;
первый вывод выходной цепи мостовой схемы, образованной силовыми управляемыми ключами, соединен с первым выводом конденсатора через первый двухполюсник, который содержит соединенные последовательно первую обмотку магнитного накопителя и первичную обмотку, связанную магнитно с вторичной обмоткой, подключенной к нагрузке;
второй вывод конденсатора соединен со вторым выводом выходной цепи мостовой схемы, образованной силовыми управляемыми ключами, через второй двухполюсник, который содержит соединенные последовательно вторую обмотку магнитного накопителя и другую первичную обмотку, связанную магнитно с вторичной обмоткой, подключенной к нагрузке;
в последовательной цепи, образованной первым двухполюсником, конденсатором и вторым двухполюсником, первая и вторая первичные обмотки соединены согласно.
Предлагаемое устройство в варианте, где первая обмотка магнитного накопителя и вторая обмотка магнитного накопителя не имеют магнитной связи, представлено на фиг.2. Отсутствие магнитной связи между обмотками означает, что каждая из них представляется обмоткой отдельного дросселя. Целесообразно иметь примерное равенство индуктивностей обмоток этих дросселей. Условие иметь строгое равенство не является обязательным. Однако для упрощения описания физических процессов считается, что индуктивности одинаковы.
Целесообразно, чтобы отношение мгновенных значений напряжения на первой первичной обмотке и на вторичной обмотке, связанной с ней магнитно, было бы близким к отношению мгновенных значений напряжения на второй первичной обмотке и на вторичной обмотке, связанной с ней магнитно. Строгое равенство этих отношений не является обязательным. Однако для упрощения описания физических процессов в схеме считается, что указанные отношения для первой и второй первичных обмоток одинаковы.
В предлагаемом устройстве на фиг.1 первая шина питания 1 соединена с отрицательным полюсом источника питания 2, а вторая шина 3 - с положительным полюсом. При описании процессов потенциал первой шины 1 считается равным нулю. Тогда потенциал второй шины 3 положителен.
К шинам питания 3 и 1 подключена входная цепь мостовой схемы, образованной силовыми управляемыми ключами 4, 5, 6 и 7. На фиг.2, равно как и на остальных чертежах, относящихся к разным вариантам выполнения предлагаемого устройства, силовые управляемые ключи изображены в виде полевых транзисторов. Эти полупроводниковые приборы характеризуются управляемой проводимостью для токов прямого направления и постоянно присутствующей высокой проводимостью для токов инверсного направления. Управление прямой проводимостью обеспечивается сигналами, задаваемыми во входные цепи полевых транзисторов.
Независимо от реального вида применяемых в предлагаемом устройстве силовых управляемых ключей, обязательным условием является подобие их свойств указанным выше свойствам полевых транзисторов. Далее в описании, с целью сокращения, термин "силовой управляемый ключ" замещается термином "транзистор".
Первый вывод 8 выходной цепи транзисторной мостовой схемы образован точкой соединения транзисторов 4 и 5. Второй вывод 9 выходной цепи транзисторной мостовой схемы образован точкой соединения транзисторов 6 и 7.
К шинам питания 3 и 1, кроме того, подключены выводы выходной цепи выпрямительной мостовой схемы, которая образована диодами 10, 11, 12 и 13. Первым выводом 14 входной цепи выпрямительной мостовой схемы является точка соединения диодов 10 и 11. Вторым выводом 15 входной цепи выпрямительной мостовой схемы является точка соединения диодов 12 и 13. Между выводами 14 и 15 включен конденсатор 16.
Между выводом 8 транзисторной мостовой схемы и выводом 14 выпрямительной мостовой схемы включен первый двухполюсник. Он выполнен в виде соединенных последовательно первой обмотки 17 магнитного накопителя энергии и первой первичной обмотки 18, которая связана магнитно с вторичной обмоткой. Вторичная обмотка содержит две секции 19 и 20. Они подключены к нагрузке 21, шунтированной конденсатором фильтра 22, через силовые выпрямительные диоды 23 и 24.
Между выводом 9 транзисторной мостовой схемы и выводом 15 выпрямительной мостовой схемы включен второй двухполюсник. Он выполнен в виде соединенных последовательно второй обмотки 25 магнитного накопителя энергии и второй первичной обмотки 26, которая связана магнитно с вторичной обмоткой.
Магнитная связь между первичной обмоткой 18, первичной обмоткой 26 и вторичной обмоткой (19, 20) обеспечена тем, что все эти обмотки совместно с магнитопроводом 27, который является общим для них, образуют единый силовой трансформатор.
В последовательной цепи, которая образована обмоткой 17, обмоткой 18, конденсатором 16, обмоткой 25 и обмоткой 26, первичные обмотки 18 и 26 силового трансформатора включены согласно.
Принцип регулирования потока энергии, передаваемой от источника питания 2 в нагрузку 21, основан на использовании колебательного характера электрических процессов, возникающих при работе устройства и обусловленных присутствием в нем элементов LC-цепи в виде первой обмотки 17 магнитного накопителя энергии, конденсатора 16 и второй обмотки 25 магнитного накопителя энергии. В этой LC-цепи указанные элементы соединены последовательно.
Силовые транзисторы 4 и 7 первой пары противолежащих плеч мостовой схемы действием сигналов, формируемых устройством управления, переводятся в состояние высокой проводимости во время нечетных тактов работы (1-й, 3-й, 5-й,…).
Силовые транзисторы 6 и 5 второй пары противолежащих плеч мостовой схемы действием сигналов, формируемых устройством управления, переводятся в состояние высокой проводимости во время четных тактов работы (2-й, 4-й, 6-й,…).
Длительности сигналов, управляющих силовыми транзисторами, почти совпадают с длительностью соответствующих тактов. Вариацией частоты повторения сигналов обеспечивается регулирование мощности, потребляемой от источника питания 2 и передаваемой силовым трансформатором в нагрузку 21. Нижняя граница диапазона варьируемой рабочей частоты выше, чем резонансная частота LC-цепи.
Устройством управления обеспечивается "технологическая" задержка появления сигналов, формируемых в каждом данном такте, по отношению к завершению сигналов управления, сформированных в предшествующем такте.
Окончанием сигналов обеспечивается запирание силовых транзисторов, которые в предыдущем такте были в состоянии высокой проводимости. Из-за "технологической" задержки появления сигналов, формируемых в очередном новом такте, образуется интервал, в течение которого все силовые транзисторы мостовой схемы заперты. Соответственно в начале этого интервала разрывается связь каждого из выводов выходной цепи мостовой транзисторной схемы с шинами питания 1 и 3.
Ток LC-цепи благодаря энергии, запасенной к моменту окончания предыдущего такта в магнитных накопителях LC-цепи, продолжает некоторое время протекать в том же направлении, какое было в момент запирания тех силовых транзисторов, что были в состоянии прямой проводимости в момент непосредственно перед окончанием сигналов управления в предыдущем такте. Этим током перезаряжаются емкости транзисторов.
На интервале перезаряда емкостей транзисторов в течение короткого промежутка времени происходит постепенное понижение потенциала того вывода выходной цепи транзисторной мостовой схемы, который в течение предыдущего такта был "привязан" к высокому потенциалу шины 3. Эта привязка была осуществлена через транзистор, подключенный к этой шине, который был в состоянии высокой проводимости в предыдущем такте. Например, если предыдущий такт был четным, то высокое значение потенциала в начале интервала перезаряда имеет место на выводе 9. Когда понижающийся потенциал этого вывода достигнет небольшого отрицательного значения, в состояние инверсной проводимости перейдет транзистор, выходная цепь которого находится между указанным выводом и шиной 1. Если предыдущий такт был четным, то таковым будет транзистор 7.
Одновременно с рассмотренным процессом на интервале перезаряда емкостей транзисторов в течение короткого промежутка времени происходит постепенное повышение потенциала того вывода выходной цепи транзисторной мостовой схемы, который в течение предыдущего такта был "привязан" к нулевому потенциалу шины 1. Эта привязка была осуществлена через транзистор, подключенный к этой шине, который был в состоянии высокой проводимости в предыдущем такте. Например, если предыдущий такт был четным, то низкое значение потенциала в начале интервала перезаряда имеет место на выводе 8. Когда повышающийся потенциал этого вывода незначительно превысит потенциал шины 3, в состояние инверсной проводимости перейдет транзистор, выходная цепь которого находится между указанным выводом и шиной 3. Если предыдущий такт был четным, то таковым будет транзистор 4.
Процесс перезаряда емкостей транзисторов занимает столь незначительное время в сравнении периодом работы, что длительностью этого процесса можно пренебречь. Поэтому без существенной погрешности можно считать, что практически сразу за запиранием одной пары транзисторов в состояние инверсной проводимости переходит другая пара.
0
В случае, если предыдущий такт был четным, в состояние проводимости (инверсной) переходит пара транзисторов 4 и 7. Проводящим состоянием этих транзисторов в момент t начинается нечетный такт очередного цикла (периода) работы схемы, который рассматривается далее. На протяжении этого такта вывод 8 "привязан" к высокому потенциалу шины 3, а вывод 9 - к равному нулю потенциалу шины 1. Если пренебречь падением напряжения на силовых транзисторах, то в новом нечетном такте потенциал вывода 8 равен напряжению питания, а потенциал вывода 9 - нулю.
0
Из-за малой продолжительности процесса перезаряда емкостей транзисторов можно считать, что в момент t не происходит существенного изменения состояния элементов LC-цепи по отношению к их состоянию на момент окончания предыдущего такта (четного).
Начальное для нового такта состояние элементов LC-цепи характеризуется тем, что ток конденсатора 16, протекающий по обмоткам 17 и 25, который определяется уровнем энергии, запасенной в первом и втором магнитных накопителях к моменту окончания предыдущего (четного) такта, направлен от вывода 15 к выводу 14. Током, который в том же направлении протекал в предыдущем такте (четном), конденсатор 16 был заряжен таким образом, что потенциал вывода 15 выше потенциала вывода 14.
Величина и направление тока, протекающего по первичным обмоткам трансформатора 27 в начале нового такта (нечетного), практически не претерпевают изменения по отношению к моменту завершению предыдущего такта (четного). Это означает, что на вторичной стороне трансформатора 27 ток продолжает протекать по вторичной обмотке 20. Она через силовой выпрямительный диод 24 оказывается подключенной параллельно конденсатору выходного фильтра 22. Поэтому полярность напряжения на обмотке 20: "плюс" - на конце обмотки, "минус" - на ее начале. Из-за магнитной связи между обмотками трансформатора 27 такая же полярность напряжений на всех его обмотках.
Для любых моментов времени, в том числе и для начального момента, мгновенные значения напряжений на первичных обмотках 18 и 26 одинаковы, если одинаковы коэффициенты пропорциональности между напряжениями на первичных обмотках 18 и 26 и напряжениями на вторичных обмотках 19, 20 (такое допущение было принято ранее).
Для любых моментов времени, в том числе и для начального момента, мгновенные значения напряжений на обмотках 17 и 25 первого и второго магнитных накопителей одинаковы, если одинаковы индуктивности этих обмоток (такое допущение было принято ранее). Это обусловлено тем, что в рабочих режимах по обмоткам протекает один и тот же ток, поскольку диоды 10-13, соединенные по мостовой схеме, находятся в запертом состоянии. Что касается напряжений на обмотках магнитных накопителей, то они равны произведению двух сомножителей: первый - индуктивность обмотки, второй - производная по времени изменения тока, протекающего по обмотке.
Равенство суммы мгновенных значений напряжений на обмотках 17,18 и суммы мгновенных значений напряжений на обмотках 25, 26 позволяет сделать следующий вывод. Для любых моментов времени, в том числе и для начального момента, разность потенциалов между шиной питания 3 и тем выводом конденсатора, на котором мгновенное значение потенциала выше, чем на втором его выводе, равно потенциалу этого второго вывода относительно равного нулю потенциала шины 1. Это означает, что зависимости от времени потенциалов выводов конденсатора представляются одинаковыми знакопеременными функциями, которые изменяются противофазно относительно уровня, равного половине напряжения питания.
В начале нового нечетного такта ток протекает по силовым транзисторам 4 и 7 в инверсном направлении. Этот ток замыкается по контуру, элементы которого далее перечисляются в соответствии с направлением тока. А именно: шина 1 источника питания 2; силовой транзистор 7; обмотка 25 магнитного накопителя; первичная обмотка 26 силового трансформатора 27; конденсатор 16; первичная обмотка 18 силового трансформатора 27; обмотка 17 магнитного накопителя; силовой транзистор 4; шина 3 источника питания 2; шина 1 источника питания 2.
В контуре, где замыкается инверсный ток силовых транзисторов 4 и 7, напряжения на всех его элементах, кроме обмоток 17 и 25, направлены навстречу протекающему току. Поэтому все элементы контура, кроме обмоток 17 и 25, являются приемниками энергии, а обмотки 17 и 25, наоборот, выступают как ее источники. Энергия, которая передается от обмоток 17 и 25 остальным элементам контура, где замыкается инверсный ток силовых транзисторов 4 и 7, обеспечивается расходом энергии, запасенной в магнитных накопителях к моменту окончания предыдущего такта работы устройства. Спад инверсного тока происходит быстро, что обусловлено высоким значением суммарного напряжения на обмотках 17 и 25. Оно равно сумме напряжения источника питания 2, напряжений на первичных обмотках 18 и 26 силового трансформатора 27, напряжения на конденсаторе 16, падений напряжения на силовых транзисторах 4 и 7.
"Технологическая" задержка отпирания одной пары транзисторов по отношению к запиранию другой устанавливается такой, чтобы сигнал отпирания поступал бы до завершения интервала протекания инверсного тока. Поэтому реально падение напряжения на силовых транзисторах в инверсном направлении пренебрежимо мало в сравнении с остальными перечисленными выше слагаемыми.
Среди перечисленных слагаемых суммарного напряжения на обмотках 17 и 25 все они, кроме напряжения на конденсаторе 16, неизменны. Что касается напряжения на конденсаторе 16, то оно продолжает нарастать, поскольку током контура в конденсатор передается энергия. Сопротивления потерь в контуре незначительны (схема преобразователя обычно характеризуется высоким значением кпд). Поэтому спад тока в контуре описывается синусоидальной функцией. Ее частота равна резонансной частоте LC-цепи.
Когда модуль спадающего по синусоидальному закону инверсного тока силовых транзисторов снизится до значения, равного амплитудному значению тока намагничивания силового трансформатора (отрицательного по знаку), изменится направление тока вторичных обмоток. Теперь на вторичной стороне ток начнет протекать по обмотке 19. При этом на обмотках трансформатора возникнет напряжение положительной полярности.
Всегда в реальных условиях суммарное напряжение на первичных обмотках 18 и 26 силового трансформатора меньше, чем напряжение источника питания. Поэтому перемена полярности напряжений на обмотках трансформатора, хотя и приведет к уменьшению суммарного напряжения на обмотках 17 и 25 магнитных накопителей энергии, но эти напряжения по-прежнему будут направленными навстречу току в упоминавшемся выше контуре инверсного тока силовых транзисторов. В этом контуре, следовательно, магнитные накопители продолжают выполнять функцию источников энергии, т.е. процесс отдачи ранее запасенной в них энергии продолжается, хотя и с уменьшенной скоростью. Спадающий инверсный ток, как и до этого, описывается синусоидальной функцией. Ее частота по-прежнему равна резонансной частоте LC-цепи, но амплитуда ниже, чем на предыдущем интервале, когда полярность на обмотках трансформатора была отрицательной.
Когда уменьшающийся по абсолютной величине инверсный ток транзисторов снизится до нуля, закончатся два происходивших до этого процесса. Во-первых, прекратится возврат энергии в источник питания инверсным током силовых транзисторов. Во-вторых, прекратится накопление энергии в конденсаторе 16, и, соответственно, разность потенциалов между его выводами достигнет амплитудного значения.
1
Моментом t спада до нуля тока силовых транзисторов начинается новый этап процессов в схеме. Он характеризуется тем, что ток силовых транзисторов начинает протекать через них в прямом направлении. Этот ток замыкается по контуру, элементы которого далее перечисляются в соответствии с направлением тока. А именно: шина 3 источника питания 2; силовой транзистор 4; обмотка 17 магнитного накопителя; первичная обмотка 18 силового трансформатора 27; конденсатор 16; первичная обмотка 26 силового трансформатора; обмотка 25 магнитного накопителя; силовой транзистор 7; шина 1 источника питания 2; шина 3 источника питания 2.
14
15
Для режимов передачи в нагрузку мощности, не превышающей номинального значения, контур тока силовых транзисторов 4 и 7 является неразветвленным. Это обусловлено тем, что в любой момент времени потенциалы выводов 14 и 15 конденсатора LC-цепи удовлетворяют неравенствам 0<φ<Е, 0<φ<Е, где Е - напряжение источника питания 2. Выполнение указанных неравенств означает, что диоды 10-13 находятся в запертом состоянии, и в них не происходит ответвление тока из контура. Таким образом, ток силовых транзисторов 4 и 7 равен току, протекающему по элементам LC-цепи.
Для замкнутого контура тока LC-цепи характерны следующие сочетания между направлением тока и полярностью напряжений на элементах контура.
0
1
Направление тока LC-цепи, протекающего через источник питания 2, и полярность напряжения этого источника совпадают. Это означает, что источник питания 2 работает в режиме источника энергии, а не ее приемника, как это было ранее на интервале между моментами времени t, t.
1
После момента t в первичные обмотки 18 и 26 трансформируется напряжение положительной полярности величиной  из вторичной обмотки 19. Положительная полярность напряжений на первичных обмотках 18 и 26 означает, что эти напряжения направлены навстречу току LC-цепи, протекающему по обмоткам. Поэтому первичные обмотки трансформатора выступают в роли приемников энергии.
out
rect
out
rect
Напряжение на вторичной обмотке 19, которая через силовой выпрямительный диод 23 передает ток в нагрузку 21, шунтированную конденсатором 22 выходного фильтра, равно сумме (V+ΔV) где V - напряжение на конденсаторе выходного фильтра, ΔV - падение напряжения на выпрямительном диоде, включенном последовательно с вторичной обмоткой.
rect
out
Обычно пренебрежимо мала пульсация напряжения на конденсаторе выходного фильтра, и, кроме того, выполняется неравенство ΔV<<V. Поэтому напряжение на вторичной обмотке, равно как и напряжение , трансформируемое в первичную обмотку, практически неизменны во времени.
1
C,max
1
В момент времени t, когда ток LC-цепи стал равным нулю, конденсатор 16 этой цепи накопил максимальный заряд. Напряжение на нем равно амплитудному значению V. Полярность этого напряжения совпадает с направлением тока LC-цепи. Это означает, что в момент времени t, а также на протяжении некоторого промежутка времени после этого момента, конденсатор 16 выступает в роли источника энергии. Током LC-цепи этот конденсатор разряжается, причем процесс разряда имеет колебательный характер.
1
1
В момент времени t, когда ток LC-цепи стал равным нулю, к обмоткам 17 и 25 магнитных накопителей этой цепи приложено напряжение, равное . Поскольку всегда выполняется неравенство , напряжение, приложенное к обмоткам 17 и 25, положительно, т.е. оно направлено навстречу току LC-цепи. Это означает, что в момент времени t, а также на протяжении некоторого промежутка времени после этого момента, обмотки выступают в роли приемников энергии. Она запасается в магнитном поле, создаваемым током LC-цепи, протекающим по обмоткам.
1
Изменение тока LC-цепи на интервале, который начинается моментом времени t, когда ток LC-цепи равен нулю, описывается известными выражениями
где
В выражениях (1) и (2): L - сумма индуктивностей обмоток 17 и 25 магнитных накопителей LC-цепи; С - емкость конденсатора 16 этой цепи.
Регулирование мощности, потребляемой от источника питания и передаваемой трансформатором в нагрузку, осуществляется путем изменения частоты коммутации силовых транзисторов. При этом нижняя граница диапазона варьируемых частот выше резонансной частоты LC-цепи, равной
1
2
При понижении частоты коммутации силовых транзисторов, что сопровождается увеличением интервала между моментами t и t, возрастает заряд, который передается в первичные обмотки силового трансформатора на интервале, когда ток LC-цепи сохраняет данное направление (положительное или отрицательное). Длительность этого интервала составляет половину периода работы устройства. Соответственно возрастает энергия, передаваемая трансформатором в нагрузку, т.е. путем изменения рабочей частоты осуществляется регулирование потока энергии в нагрузку.
1
2
При понижении частоты коммутации силовых транзисторов, что сопровождается увеличением интервала между моментами t и t, возрастает заряд, который передается в конденсатор LC-цепи на интервале, когда ток этой цепи сохраняет данное направление (положительное или отрицательное). Соответственно возрастает изменение напряжения на конденсаторе между крайними его значениями (минимальным и максимальным). Таким образом, возрастание мощности, передаваемой в нагрузку, сопровождается увеличением амплитуды переменного напряжения на конденсаторе LC-цепи.
Существует два положительных свойства, присущих предлагаемому устройству.
Во-первых, в процессе работы схемы потенциалы выводов конденсатора LC-цепи изменяются во времени симметрично и противофазно относительно уровня, равного половине напряжения питания. Это означает, что реализуется максимально возможный диапазон энергетически эффективного регулирования, при котором диоды 10-13 заперты. Запертому состоянию диодов соответствует сохранение колебательного характера процессов в схеме, благодаря которому снижаются коммутационных потери в силовых транзисторах и потери, связанные с инерционностью силовых выпрямительных диодов.
Во-вторых, возрастание амплитуды напряжения на конденсаторе LC-цепи, которое имеет место при повышении тока этой цепи и соответственно тока первичных и вторичных обмоток силового трансформатора, ограничено неравенством
.
Выполнение неравенства обеспечивается сочетанием отмеченной симметричности изменения во времени потенциалов на выводах конденсатора и присутствием в предлагаемом устройстве мостовой схемы, образованной диодами 10-13. Их отпирание реализует ограничение напряжения на конденсаторе.
Ограничение амплитуды напряжения на конденсаторе 16 имеет своим следствием ограничение амплитуды тока LC-цепи, который протекает через выходные цепи силовых транзисторов, что следует из (1) и (2). Одновременно ограничивается ток, передаваемый вторичными обмотками в нагрузку. Все это в целом обеспечивает выполнение поставленной цели, - повышение надежности устройства.
Симметричность изменения во времени потенциалов на выводах конденсатора LC-цепи и противофазный характер этого изменения обусловлены равенством мгновенных значений разности потенциалов между выводами первого и второго двухполюсников. Отличие от равенства может быть вызвано тем, что коэффициент пропорциональности между напряжениями первой и второй первичной обмоток трансформатора отличается от единицы, или тем, что индуктивность первой обмотки магнитного накопителя не равна индуктивности второй обмотки магнитного накопителя.
Моделирование процессов в преобразователе показывает, что отличие мгновенных значений разности потенциалов между выводами первого и второго двухполюсников (несимметрия двухполюсников) проявляется в появлении скачкообразных изменений потенциалов выводов конденсатора относительно потенциалов шин питания. Эти скачки тем меньше, чем меньше несимметрия. Присутствие скачков несколько уменьшает диапазон регулирования, при котором диоды 10-13 остаются в запертом состоянии, но положительные свойства предлагаемого устройства в целом сохраняются.
Положительные качества предлагаемого устройства сохраняются, а само устройство упрощается, если первая обмотка магнитного накопителя и вторая обмотка магнитного накопителя объединены общим магнитопроводом 28, т.е. связаны магнитно, и, кроме того, в последовательной цепи, образованной первым двухполюсником, конденсатором и вторым двухполюсником, эти обмотки соединены согласно, что реализовано во втором варианте схемы.
Схема устройства по варианту 2 представлена на фиг.2.
Принцип действия второго варианта схемы целиком совпадает с принципом действия схемы, изображенной на фиг.1. Положительным качеством второго варианта схемы по отношению к первому, помимо упрощения, является простота обеспечения симметрии первого и второго двухполюсников. Для этого достаточно, чтобы были бы равны единице коэффициенты пропорциональности между напряжениями на первичных обмотках 18 и 26, а также были бы равны единице коэффициенты пропорциональности между напряжениями на обмотках 17 и 25. Имея в виду, что эти обмотки объединены общим магнитопроводом 28, равенство единице коэффициентов пропорциональности между напряжениями на обмотках 17 и 25 достигается равенством чисел их витков.
Положительные качества предлагаемого устройства сохраняются, а само устройство может быть выполнено с лучшими массогабаритными или энергетическими показателями, если каждая из двух первичных обмоток и связанная с ней вторичная обмотка, подключенная к нагрузке, объединены отдельным магнитопроводом, образуя отдельный трансформатор. В этом случае энергия в нагрузку передается двумя трансформаторами параллельно.
Передача энергии двумя трансформаторами, во-первых, позволяет их выполнить в меньших габаритах, поскольку каждый передает половинную мощность. Это часто является предпосылкой возможного уменьшения габаритов блока, где трансформаторы размещены (например, путем снижения высоты блока).
Во-вторых, при передаче половинной мощности каждым трансформатором могут быть снижены тепловые потери в обмотках.
Тепловые потери пропорциональны квадрату тока обмотки. Поэтому во вторичной обмотке каждого из трансформаторов потери снижаются в четыре раза, а общие тепловые потери во вторичных обмотках двух трансформаторов уменьшаются в два раза.
При заданной мощности, передаваемой в нагрузку, ток первичных обмоток трансформаторов, через которые эта мощность передается, не зависит от числа трансформаторов. Однако каждая из двух первичных обмоток содержит половинное число витков относительно их общего числа в двух первичных обмотках. Поэтому, хотя и не уменьшается суммарная мощность тепловых потерь в первичных обмотках двух трансформаторов, сумма мощностей тепловых потерь, выделяющихся в обмотках каждого из них, уменьшается в число раз, которое больше двух. Этим облегчается тепловой режим трансформаторов, что повышает надежность работы устройства.
Схема устройства по варианту 3, реализующая передачу энергии двумя трансформаторами параллельно, представлена на фиг.3.
Третий вариант отличается от второго тем, что первая первичная обмотка 18 и связанная с ней магнитно вторичная обмотка (29, 30) объединены общим магнитопроводом 31, образуя отдельный (первый) силовой трансформатор. Вторичная обмотка первого трансформатора подключена к нагрузке 21, шунтированной конденсатором 22, через силовые выпрямительные диоды 32, 33.
Вторая первичная обмотка 26 и связанная с ней магнитно вторичная обмотка (34, 35) объединены общим магнитопроводом 36, образуя другой отдельный силовой трансформатор (второй). Вторичная обмотка второго трансформатора подключена к нагрузке 21, шунтированной конденсатором 22, через силовые выпрямительные диоды 37, 38.
Принцип действия третьего варианта схемы целиком совпадает с принципом действия схем, изображенных на фиг.1, 2.
При передаче тока вторичными обмотками двух трансформаторов через выпрямительные диоды в общую нагрузку мгновенные значения напряжений на этих обмотках различаются на разность падений напряжений на выпрямительных диодах, т.е. несущественно в сравнении с напряжением на нагрузке. Поэтому с незначительной погрешностью можно считать, что мгновенные значения напряжений на вторичных обмотках двух трансформаторов одинаковы. При одинаковых коэффициентах трансформации первого и второго трансформаторов будут одинаковыми также напряжения, трансформируемые в первую и вторую первичные обмотки. Необходимость равенства этих напряжений для достижения положительного эффекта от применения предлагаемых технических решений была уже рассмотрена.
Положительные качества предлагаемого устройства сохраняются, если вторичная обмотка, с которой магнитно связаны первая и вторая первичные обмотки, подключена к нагрузке непосредственно. В этом случае энергия в нагрузку передается переменным током. Пример схемы с непосредственным подключением вторичной обмотки к нагрузке представлен на фиг.4. Положительным качеством этого варианта выполнения устройства является простота обеспечения симметрии первого и второго двухполюсников. Для этого достаточно, чтобы были бы равны числа витков первичных обмоток 18 и 26, объединенных общим магнитопроводом 27, а также одинаковы числа витков обмоток 17 и 25, которые объединены общим магнитопроводом 28.
Положительные качества предлагаемого устройства сохраняются, если вторичная обмотка (например, 29), с которой магнитно связана первая первичная обмотка 18, объединенная с ней общим магнитопроводом 31, а также вторичная обмотка (например, 34), с которой магнитно связана первая первичная обмотка 26, объединенная с ней общим магнитопроводом 36, подключены к нагрузке непосредственно. В этом случае энергия в нагрузку передается переменным током двумя трансформаторами параллельно. Пример схемы с непосредственным подключением вторичных обмоток двух трансформаторов к нагрузке представлен на фиг.5. Положительным качеством этого варианта схемы является простота обеспечения симметрии первого и второго двухполюсников. Для этого достаточно, чтобы оба силовых трансформатора были бы одинаковы по конструкции, а также были бы равны числа витков обмоток 17 и 25, которые объединены общим магнитопроводом 28.
Для преобразователя, принцип действия которого основан на использовании резонансных процессов в LC-цепи при коммутации тока этой цепи силовыми транзисторами мостовой схемы, характерно накопление к концу каждого из тактов значительной энергии в магнитном поле, создаваемом током LC-цепи, протекающим по обмоткам 17 и 25. Это обстоятельство делает возможным и целесообразным введение дополнительной конденсаторной цепи, выполненной, например, в виде конденсатора, которая шунтирует выходную цепь мостовой транзисторной схемы. Перезаряд конденсатора этой цепи в каждом такте осуществляется так же, как перезаряд емкости силовых транзисторов (см. текст описания, стр.3-4). Отличием является то, что для осуществления перезаряда затрачивается большая энергия (достаточная ее порция оказывается запасенной в магнитном поле, которое создано током обмоток 17 и 25), а сам процесс перезаряда более продолжителен.
Во время перезаряда силовые транзисторы должны находиться в непроводящем состоянии, что означает необходимость увеличения "технологической" задержки между окончанием импульсов управления в предыдущем такте и их появлением в данном такте. Отпирание транзисторов сигналом управления не должно происходить до завершения процесса перезаряда конденсатора, шунтирующего выходную цепь транзисторной мостовой схемы. Это означает, что транзисторы, которые в очередном такте должны быть в состоянии проводимости, должны до этого успеть перейти в состояние инверсной проводимости, пропуская ток LC-цепи, "оставшийся от предыдущего такта" (см. текст описания, стр.3, 4). "Преждевременное" отпирание транзисторов сигналом управления будет сопровождаться значительными выбросами их токов и возрастанием мощности тепловых потерь.
Введением дополнительной конденсаторной цепи достигается снижение скорости нарастания напряжения на силовых транзисторах в процессе их запирания. Это позволяет сократить коммутационные тепловые потери в транзисторах при запирании, что повышает надежность их работы. Кроме того, понижение темпа нарастания напряжений в первичном контуре преобразователя способствует уменьшению уровня помех, возникающих в моменты коммутаций.
Применение конденсаторных цепей возможно в любой из рассмотренных схем.
В качестве варианта выполнения конденсаторной цепи может быть шунтирование конденсаторами выходных цепей каждого из силовых транзисторов мостовой схемы.
Пример использования конденсаторной цепи в виде конденсатора, шунтирующего выходную цепь мостовой схемы, образованной силовыми транзисторами, представлен на фиг.6.
В схеме на фиг.6 конденсатор 39 включен между выводами 8 и 9 мостовой схемы, образованной силовыми транзисторами.
Пример использования конденсаторной цепи в виде конденсаторов, шунтирующих выходные цепи силовых транзисторов, представлен на фиг.7.
В схеме на фиг.7 конденсатор 40, 41, 42 и 43 шунтируют выходные цепи силовых транзисторов 4, 5, 6 и 7 соответственно..