DC/DC-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
DC/DC CONVERTER

Предлагаемое устройство относится к силовой преобразовательной технике и является DC/DC-преобразователем с трансформаторной связью между источником питания и нагрузкой.
Известен двухтактный преобразователь, который содержит импульсный трансформатор для передачи энергии в цепь нагрузки, коммутатор тока первичной обмотки трансформатора, выпрямитель тока вторичной обмотки трансформатора и конденсатор выходного фильтра, включенный параллельно нагрузке постоянного тока. В известном устройстве, которое рассматривается как прототип, каждый вентильный элемент выпрямителя (вентильные элементы выполнены в виде полевых транзисторов) включен между соответствующим выводом вторичной обмотки и одним из выводов конденсатора выходного фильтра ("Control Driven Synchronous Rectifiers In Phase Shifted Full Bridge Converters, Application Note", Texas Inctruments, SLUA287 - March 2003).
Недостаток известного устройства - возникновение перенапряжений на вентильных элементах, вызванное существованием индуктивностей рассеяния обмоток трансформатора и инерционностью коммутационного процесса перехода вентильного элемента из состояния высокой проводимости в состояние низкой проводимости. Перенапряжения, если не принимать мер по ограничению их амплитуды, вызывают рост тепловых потерь в вентильных элементах выпрямителя, снижают надежность их работы и надежность устройства в целом.
Целью предложения, содержащегося в данной заявке, является повышение энергетической эффективности устройства и его надежности.
Предлагаемое устройство, как и прототип, содержит импульсный трансформатор для передачи энергии в цепь нагрузки, коммутатор тока первичной обмотки трансформатора, выпрямитель тока вторичной обмотки трансформатора и конденсатор выходного фильтра, включенный параллельно нагрузке постоянного тока. В устройстве, как и в прототипе, каждый вентильный элемент выпрямителя включен между соответствующим выводом вторичной обмотки и одним из выводов конденсатора выходного фильтра.
Предлагаемое устройство отличается от прототипа тем, что для каждого вентильного элемента введена цепь в виде трехполюсника. Его первый вывод подключен к точке соединения вывода вторичной обмотки и вентильного элемента, а второй и третий выводы трехполюсника подключены к выводам конденсатора выходного фильтра. В трехполюснике между вторым и третьим его выводами включена диодная цепь в виде первого и второго диодов, соединенных последовательно и согласно, т.е. с совпадением их прямой проводимости, а между первым выводом трехполюсника и средней точкой диодной цепи включен конденсатор.
В трехполюсник дополнительно введена демпфирующая RC-цепь в виде резистора и конденсатора, которые соединены последовательно, и эта RC-цепь шунтирует первый или второй диоды, содержащиеся в трехполюснике.
Предлагаемое устройство изображено на фиг.1. Оно содержит коммутатор 1 в виде четырехполюсника, который имеет входную цепь с выводами 2 и 3 и выходную цепь с выводами 4 и 5. Выводы входной цепи коммутатора 1 подключены к источнику питания 6. К выводам 4 и 5 выходной цепи коммутатора 1 подключена первичная обмотка 7 силового трансформатора 8. Коммутатор 1 представляет собой устройство с силовыми управляемыми ключами. Оно, независимо от конкретной схемотехники, обеспечивает коммутацию тока первичной обмотки 7 силового трансформатора 8, периодически подключая первичную обмотку 7 к источнику питания 6 и отключая ее. В устройстве-прототипе коммутатор 1 выполнен в виде транзисторного моста, входная цепь которого образует входную цепь четырехполюсника с выводами 2 и 3, а между выходной цепью транзисторного моста и выводами 4 и 5 четырехполюсника включена обмотка дросселя.
Выводы вторичной обмотки 9 силового трансформатора 8 через вентильные элементы 12 и 13 (в их качестве на фиг.1 изображены транзисторы синхронного выпрямителя) подключены к первому выводу конденсатора 10 выходного фильтра, шунтирующего нагрузку 11. Второй вывод конденсатора 10 соединен с выводами вторичной обмотки 9 через обмотки дросселей 14 и 15 выходного фильтра.
Для первого вентильного элемента 12 введена цепь ограничения коммутационных перенапряжений на нем, выполненная в виде трехполюсника 16 с тремя выводами - первым 17, вторым 18 и третьим 19. Первый вывод трехполюсника 16 подключен к точке соединения вывода вторичной обмотки 9 и электрода вентильного элемента 12, второй и третий выводы 17 и 18 трехполюсника 16 соединены соответственно с первым и вторым выводами конденсатора 10 выходного фильтра.
В трехполюснике 16 между вторым и третьим его выводами 18 и 19 включена диодная цепь в виде первого и второго диодов 20 и 21, соединенных последовательно и согласно, т.е. с совпадением их прямой проводимости. Между первым выводом 17 трехполюсника 16 и средней точкой указанной диодной цепи включен конденсатор 22.
Для второго вентильного элемента 13 введена цепь ограничения коммутационных перенапряжений на нем, выполненная в виде трехполюсника 23 с тремя выводами - первым 24, вторым 25 и третьим 26. Трехполюсник 23 аналогичен трехполюснику 16 по схемотехнике и подключению выводов.
Принцип действия предлагаемого устройства рассматривается на примере трехполюсника 16, который подключен к вентильному элементу 12, и состоит в следующем.
Управление транзисторным выпрямителем построено таким образом, чтобы сигнал отпирания транзистора 12, выпрямляющего ток вторичной обмотки 9, завершался до момента смены направления тока, протекающего по обмотке. Поэтому внутренний диод транзисторной структуры переходит в состояние проводимости до этого момента, и через него ток обмотки 9 протекает в прямом для диода направлении. Из-за инерционности диода состояние его высокой проводимости сохраняется некоторое время после перемены направления тока в обмотке 9, и поэтому через внутренний диод транзисторной структуры возникает ток обратного направления. Этот ток вызывает накопление энергии магнитного поля в индуктивностях рассеяния трансформатора.
К моменту восстановления высокого обратного сопротивления внутреннего диода транзисторной структуры, благодаря энергии, которая к этому моменту успела накопиться в индуктивностях рассеяния трансформатора 8, вторичная обмотка 9 оказывается эквивалентной источнику тока. Направление этого тока соответствует прямой проводимости токопроводящего канала транзистора 12, причем сигналом управления канал уже заперт и ток обмотки по нему протекать не может.
Величина тока обмотки 9 уменьшается по мере рассеяния накопленной энергии от того начального значения, которое было в момент восстановления обратного сопротивления внутреннего диода транзистора 12. Большая часть этого тока при соответствующем выборе емкости конденсатора 22 через цепь в виде последовательного соединения этого конденсатора и диода 21 поступает в конденсатор 10 выходного фильтра. В него, таким образом, передается большая часть энергии, которая ранее была запасена в магнитном поле рассеяния трансформатора 8. Меньшая часть тока заряжает емкость транзистора 12, и в нее передается меньшая часть запасенной энергии. Соответственно уменьшается амплитуда выброса напряжения на вентильном элементе, выполненном в виде транзистора 12, а большая часть энергии, будучи переданной в конденсатор выходного фильтра, используется полезно.
С началом нового цикла выпрямления тока обмотки 9, этот ток начинает протекать по цепи в виде последовательного соединения конденсатора 22 и диода 20, разряжая конденсатор 22. Затем, когда он полностью разрядится, ток переходит в транзистор 12. К этому моменту токопроводящий канал транзистора переводят в состояние высокой проводимости. По нему ток обмотки 9 протекает в инверсном направлении.
Принцип действия устройства, выполненного в виде трехполюсника 23, который подключен к вентильному элементу 13, подобен тому, что рассмотрен для трехполюсника 16. Отличие состоит только в том, что процессы, рассмотренные для трехполюсника 16, в трехполюснике 23 происходят в другой такт работы двухтактного выпрямителя.
В момент, когда ток, передаваемый через трехполюсник в конденсатор выходного фильтра 10, снизится до нуля, напряжение на конденсаторе, содержащемся в трехполюснике, и, соответственно, напряжение на соединенном с трехполюсником вентильном элементе, перешедшем в запертое состояние, достигают максимального значения. После этого момента оба диода трехполюсника оказываются в запертом состоянии, и в схеме возникает затухающий колебательный процесс, обусловленный обменом энергии между индуктивностями трансформатора и емкостными накопителями вентильного элемента и диодов трехполюсника. Для ускорения затухания этого процесса один из диодов трехполюсника шунтируется последовательной RC-цепью, вводимой в трехполюсник.
Схема предлагаемого устройства, где в трехполюсник, который подключен к вентильному элементу, дополнительно введена последовательная RC-цепь, изображена на фиг.2. Она полностью совпадает со схемой, изображенной на фиг.1, за исключением того, что в трехполюсниках схемы на фиг.2 параллельно их первому диоду включена последовательная RC-цепь. В трехполюснике 16 она образована резистором 27 и конденсатором 28.
Если в выходном выпрямителе в качестве вентильных элементов 12 и 13 используются не транзисторы, а диоды, действие вводимых в схему устройств в виде трехполюсников 16 и 23 остается таким же, как рассмотрено выше. Отличие состоит в том, что ограничивается коммутационный выброс напряжения на силовом диоде выпрямителя.
Конструкция коммутатора 1, равно как и индуктивных цепей, предназначенных для сглаживания пульсаций выпрямленного тока вторичной обмотки, не является существенным признаком предлагаемого технического решения.
На фиг.3 и 4 в качестве примера представлены две схемы DC/DC-преобразователей (однотактная и двухтактная), в которых в качестве вентильных элементов выходного выпрямителя используются диоды, а сглаживание пульсаций выпрямленного тока осуществляется одним дросселем.
В однотактной схеме, изображенной на фиг.3, выпрямление тока вторичной обмотки происходит в одном такте, и поэтому выпрямитель этого тока содержит один вентильный элемент 12. Второй вентильный элемент 13 обеспечивает контур для протекания тока обмотки дросселя 29 на интервале, когда коммутатор 1 отключает первичную обмотку 7 от источника питания 6. Дроссель 29 предназначен для сглаживания выпрямленного тока вторичной обмотки 9 силового трансформатора 8. Назначение, конструкция и подключение трехполюсников 16 и 23 в схеме на фиг.3 такое же, как в схеме на фиг.2.
В двухтактной схеме вторичная обмотка 9 трансформатора 8 содержит две секции 9-1 и 9-2, соединенные последовательно и согласно. Выводы вторичной обмотки 9 подключены к одному выводу конденсатора выходного фильтра 10 через вентильные элементы в виде диодов 12 и 13, а средняя точка вторичной обмотки 9 соединена с другим выводом конденсатора 10 через обмотку дросселя 30. Назначение, конструкция и подключение трехполюсников 16 и 23 в схеме на фиг.4 такое же, как в схеме на фиг.2.