ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
DC HIGH VOLTAGE CONVERTER

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 кВ для питания от контактной сети с повышенным напряжением (12-24 кВ и т.д.).
Известен высоковольтный преобразователь постоянного напряжения, содержащий конденсаторы и два модуля, каждый из которых состоит из Nk, где k - целые положительные числа натурального ряда 1, 2, 3, 4, a N - четное число ячеек, задающее коэффициент преобразования преобразователя по напряжению, 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, дополнительно введены один конденсатор, три аналогичных ключа и N-2 дополнительных модуля, каждый из которых состоит из трех последовательно соединенных разноименными выводами аналогичных ключей, где N - четное число, большее двух, есть отношение величины высокого входного напряжения к величине низкого выходного напряжения, причем указанные ключи в первом и втором модулях соединены одноименными выводами, а срединные точки этих модулей служат выводами низкого напряжения, два из дополнительных аналогичных ключей подсоединены по одному между первыми точками соединения ключей первого и второго модулей, отсчитываемыми от выводов низкого напряжения влево и вправо, катодами диодов к точкам соединения анодов диодов первого модуля, а анодами диодов к точкам соединения катодов диодов второго модуля, дополнительные модули каскадно подсоединены к первому и второму модулям симметрично относительно них слева и справа, а именно к первым оконечным выводам первого и второго модулей подсоединены, соответственно, первый и второй выводы первого из N/2-1 подсоединенных к указанным первым оконечным выводам дополнительных модулей, а первый и второй выводы каждого из последующих аналогичных модулей подсоединены, соответственно, к третьему и четвертому выводам предыдущего модуля, где первый вывод каждого из дополнительных модулей 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, ко вторым оконечным выводам первого и второго модулей подсоединены, соответственно, третий и четвертый выводы первого из N/2-1 подсоединенных к указанным вторым оконечным выводам дополнительных модулей, а третий и четвертый выводы каждого из последующих аналогичных модулей подсоединены, соответственно, к первым и вторым выводам предыдущего модуля, N конденсаторов по одному подсоединены между точками соединения соответствующих оконечных выводов первого и второго модулей с дополнительными модулями, между точками соединения соседних дополнительных модулей и между третьим и четвертым, и между первым и вторым оконечными выводами последних из подсоединенных дополнительных модулей соответственно, а положительный и отрицательный выводы высокого напряжения подсоединены к первому выводу последнего из дополнительных модулей, подсоединенных ко вторым оконечным выводам первого и второго модулей, и к четвертому выводу последнего из дополнительных модулей, подсоединенных к первым оконечным выводам первого и второго модулей, причем один из двух выводов высокого напряжения, либо положительный, либо отрицательный, подсоединен к указанному соответствующему выводу дополнительного модуля непосредственно, а второй - через третий дополнительный аналогичный ключ, подсоединенный либо катодом диода к положительному выводу высокого напряжения, либо анодом диода к отрицательному выводу высокого напряжения, при этом Nk=4 (Зиновьев Г.С., Лопаткин Н.Н. Преобразователь постоянного напряжения, Патент РФ №2393618, Бюл. №18, 2010).
Однако указанный преобразователь постоянного напряжения не имеет общей точки входной и выходной цепей, что сужает области применения преобразователя. К тому же, он имеет значительные потери мощности при жесткой коммутации вентилей.
Также, известен высоковольтный преобразователь постоянного напряжения с отношением величины высокого напряжения к амплитуде импульсов низкого напряжения, равным N (W. Chen, A. Huang Analysis and Comparison of Medium Voltage High Power DC/DC Converters for Offshore Wind Energy Systems, IEEE Transactions on Power Electronics, v. 28, No 4, 2013, p.2017), взятый за прототип, содержащий основную конденсаторную цепочку из N последовательно соединенных конденсаторов, диодную цепочку из 2N последовательно соединенных диодов, реакторно-конденсаторную цепочку из N-1 последовательно соединенных ветвей, состоящих каждая из последовательного включенных реактора и конденсатора, двух транзисторов, нагрузку, причем каждый конденсатор основной конденсаторной цепочки соединен параллельно двум соответствующим последовательным диодам диодной цепочки, начиная с катода первого диода цепочки, который связан с положительным полюсом высоковольтного источника питания, каждая ветвь реакторно-конденсаторной цепочки соединена параллельно двум последовательно соединенным диодам диодной цепочки, исключая крайние диоды в начале и конце основной диодной цепочки, причем анод первого диода цепочки связан с отрицательным полюсом высоковольтного источника питания, который также связан с одним концом нагрузки, при этом второй конец нагрузки подсоединен к катоду второго диода цепочки, при этом указанные первый и второй диоды цепочки шунтированы каждый встречно-параллельным транзистором.
Однако этот высоковольтный преобразователь постоянного напряжения не обладает свойством двунаправленной передачи энергии, что приводит к ограниченным функциональным возможностям преобразователя. Также он имеет ограничения по предельной мощности нагрузки, т.к. предельный ток нагрузки определяется предельным током одного транзистора.
Задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей преобразователя и увеличение предельной мощности нагрузки.
Поставленная задача достигается тем, что в высоковольтный преобразователь постоянного напряжения, содержащий основной конденсаторный делитель КД из последовательно соединенных N конденсаторов, где N - коэффициент преобразования (деления) высоковольтного входного напряжения преобразователя по отношению к напряжению нагрузки, основной диодный делитель ДД из последовательно соединенных 2N диодов, основной реакторно-конденсаторный делитель РКД из последовательно соединенных N-1 ветвей с последовательно включенными реактором и конденсатором в каждой ветви, и нагрузки, при этом каждые два последовательных диода основного делителя ДД подсоединены параллельно соответствующим конденсаторам основного конденсаторного делителя КД делителя, каждая ветвь основного реакторно-конденсаторного делителя РКД подсоединена параллельно к соответствующей паре последовательных диодов основного диодного делителя ДД, кроме крайних диодов, а нагрузка соединена параллельно первому конденсатору основного реакторно-конденсаторного делителя РКД, введены L-1 дополнительных диодных делителей ДД из последовательно соединенных 2N диодов, где L - число листов в многолистовом преобразователе, связанных с основным конденсаторным делителем КД, также введены L-1 дополнительных реакторно-конденсаторных делителей РКД из последовательно соединенных N-1 ветвей с последовательно включенными реактором и конденсатором в каждой ветви, а также введены 2L(N-1) дополнительных транзисторов, L-1 шунтирующих конденсаторов и L-канальный делитель постоянного тока, причем каждый дополнительный реакторно-конденсаторный делитель РКД подсоединен к соответствующему дополнительному диодному делителю ДД так же, как основной конденсаторный делитель КД подсоединен к соответствующему основному диодному делителю ДД, при этом все диоды основного и дополнительных диодных делителей ДД шунтированы встречно-параллельно включенными дополнительными транзисторами, а каждый дополнительный делитель ДД из последовательно соединенных 2N диодов подсоединен к основному КД-делителю аналогично основному диодному делителю ДД, за исключением катодов начальных диодов дополнительных диодных делителей, которые вместе с шунтирующими конденсаторами, подсоединенными параллельно двум начальным диодам этих диодных делителей, подключены, как и первый диод основного диодного делителя, к L раздельным выходам L-канального делителя тока, входной зажим которого образует положительный полюс входного высоковольтного источника напряжения, а отрицательный полюс входного высоковольтного источника напряжения образует анод конечного диода основного диодного делителя.
На фиг.1 представлена схема предлагаемого высоковольтного преобразователя постоянного напряжения, иллюстрируемая конкретным примером для L=3 и N=7, фиг.2 - временные диаграммы напряжений и токов, поясняющие принцип работы предлагаемого двунаправленного высоковольтного преобразователя постоянного напряжения.
Предлагаемый высоковольтный преобразователь постоянного напряжения (фиг.1) на примере конкретного случая L=3, N=7 содержит основной конденсаторный делитель КД 1 из последовательно соединенных семи конденсаторов 2, являющийся общей связкой для всех трех листов 3, 4, 5 (Л1, Л2, Л3) преобразователя, основной диодно-транзисторный делитель ДТ 6 из последовательно соединенных четырнадцати диодов 7, шунтированных встречно-параллельными транзисторами 8, основной реакторно-конденсаторный делитель РК 9 из последовательно соединенных шести ветвей с последовательно включенными реакторами 10 и конденсаторами 11 в каждой ветви, также содержит в листах 2 и 3 два дополнительных диодно-транзисторных делителя ДТ 6 из последовательно соединенных четырнадцати диодов 7, шунтированных встречно-параллельными дополнительными транзисторами 8, также содержит в листах 2 и 3 два дополнительных реакторно-конденсаторных делителя РК из последовательно соединенных реакторов 10 и конденсаторов 11, а также дополнительные в каждом листе преобразователя конденсаторы 12, соединенные параллельно двум оконечным диодам дополнительной диодно-транзисторной цепочки ДТ 6, при этом зажимы указанных дополнительных конденсаторов, соединенные с анодами предпоследних диодов диодно-транзисторной цепочки ДТ 6, связаны и с точкой соединения крайнего и предшествующего конденсаторов основного конденсаторного делителя КД 1, а аноды крайних диодов всех диодно-транзисторных делителей ДТ связаны каждый с отдельным выводом токового делителя ТД 13, входной ввод которого образует положительный высоковольтный полюс преобразователя, в то время как отрицательный высоковольтный полюс преобразователя образует один вывод нагрузки 14, соединенный с начальным выводом первого конденсатора конденсаторного делителя КД 1, второй вывод нагрузки при этом соединен со вторым выводом первого конденсатора конденсаторного делителя КД 1.
Работу предлагаемого высоковольтного преобразователя постоянного напряжения рассмотрим в следующем порядке. Сначала дадим описание работы однолистового преобразователя, который в своей основе подобен повышающему преобразователю постоянного тока Кокрофт-Уолта, а затем рассмотрим особенности работы многолистового преобразователя.
Однолистовой преобразователь, который содержится в преобразователе фиг.1 при виртуальном удалении из него листов, обозначенных 2 и 3, работает следующим образом в двухинтервальном режиме управления. В установившемся режиме работы все конденсаторы основного конденсаторного делителя КД 1 и конденсаторы реакторно-конденсаторного делителя РК 9 заряжены примерно на уровне Uc=Uhv/N. В первом интервале управления транзисторы диодно-транзисторного делителя ДТ включаются через один, начиная с транзистора, подключенного (через делитель тока 13) к положительному высоковольтному полюсу преобразователя. При этом конденсаторы 11 реакторно-конденсаторного делителя РК 9 через реакторы 10 в колебательном режиме подзаряжаются через два включенных транзистора диодно-транзисторного делителя ДТ от соответствующих конденсаторов основного конденсаторного делителя КД 1, восполняя отданную из этих конденсаторов энергию на предыдущем интервале управления. Во втором интервале управления включаются остальные транзисторы диодно-транзисторного делителя ДТ, которые были выключены на первом интервале управления. Теперь уже конденсаторы 11 реакторно-конденсаторного делителя РК 9 через соответствующие другие пары включенных транзисторов и реакторы 10 в колебательном режиме подзаряжают конденсаторы основного конденсаторного делителя КД 1, передавая с первого конденсатора этого делителя энергию в конденсатор 2 нагрузки и нагрузку 14. Таким образом, энергия, отбираемая от высоковольтного источника питания преобразователя, распространяется путем последовательного во времени перезаряда конденсаторов конденсаторного делителя КД 1 и реакторно-конденсаторного делителя КР 9 на сторону пониженного напряжения нагрузки. Форма тока, потребляемого конденсатором 2 нагрузки 14 из конденсаторного делителя 1 совместно с нагрузкой однолистового преобразователя, показана на фиг.2а.
sum
1
2
Двухлистовой высоковольтный преобразователь постоянного напряжения (L=2) позволяет удвоить предельную мощность нагрузки. Особенностью управления транзисторами второго листа преобразователя является только сдвиг фаз импульсов управления транзисторами наполовину их периода. Это позволяет улучшить и качество тока i, отбираемого от преобразователя в нагрузку, как показывает диаграмма фиг.2б при тех же формах выходных токов i, i двух листов Л1 и Л2 двухлистового преобразователя, позволяя уменьшить значения емкостей конденсаторов.
Дальнейшее увеличение числа листов в преобразователе позволяет наращивать мощность преобразователя и качество указанных выше электромагнитных переменных. Для трехлистового преобразователя диаграммы токов, аналогичные приведенным на фиг.2б, показаны на фиг.2в.
Предлагаемые преобразователи могут работать и в режиме обратного направления активной мощности, т.е. как повышающие. Для этого нагрузка 14 должна содержать источник напряжения выше U/N. Это обеспечит рекуперацию энергии из нагрузки 14 при генераторном режиме ее работы в высоковольтный источник, расположенный на стороне высокого напряжения преобразователя.
Таким образом, предлагаемый высоковольтный преобразователь постоянного напряжения по сравнению с прототипом имеет расширенные функциональные возможности за счет способности передачи мощности в обоих направлениях. Также имеется возможность увеличения предельной мощности нагрузки в число раз, равное числу листов L в преобразователе, т.к. теперь предельный ток нагрузки может быть в L раз больше предельного тока транзистора.