ДВУХТАКТНЫЙ DC/DC-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
PUSH-PULL DC/DC CONVERTER

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 в качестве прототипа [1, стр. 87, рис. 5.13], содержит основной дроссель с силовой обмоткой, трансформатор с первичной и вторичной обмотками, мостовой транзисторный (ключевой) коммутатор тока первичной обмотки трансформатора, выпрямитель тока вторичной обмотки и конденсатор выходного фильтра, а также первый и второй диоды, дополнительный дроссель и дополнительный конденсатор.
Первый вывод силовой обмотки основного дросселя подключен к первой шине питания, а между вторым выводом этой обмотки и второй шиной питания включена входная цепь мостового транзисторного коммутатора, к выходной цепи которого присоединена первичная обмотка трансформатора, а его вторичная обмотка через выпрямитель тока этой обмотки подключена к выходному конденсаторному фильтру.
Работа схемы происходит в два такта.
В первой части каждого из тактов замкнуты все транзисторы коммутатора тока первичной обмотки. При этом первичная обмотка оказывается закороченной через выходные цепи этих транзисторов, и напряжение питания оказывается приложенным к силовой обмотке основного дросселя, из-за чего в нем накапливается энергия.
Во второй части каждого такта размыкаются два силовых транзистора мостового коммутатора, и через два других транзистора первичная обмотка трансформатора оказывается подключенной между концом силовой обмотки основного дросселя и второй шиной питания. При этом в первый такт в состоянии высокой проводимости работает первая пара транзисторов мостовой схемы, находящихся в ее противолежащих плечах, и начало первичной обмотки трансформатора подключено к концу силовой обмотки основного дросселя, а конец первичной обмотки подключен ко второй шине питания. Во второй такт в состоянии высокой проводимости работает другая пара транзисторов мостовой схемы, находящихся в ее противолежащих плечах, и конец первичной обмотки трансформатора подключен к концу силовой обмотки основного дросселя, а начало первичной обмотки подключено ко второй шине питания.
Присутствие силовой обмотки дросселя, которая включена последовательно с первичной обмоткой трансформатора через транзисторы коммутатора тока этой обмотки, способствует быстрому нарастанию напряжения на первичной обмотке и на транзисторе в процессе его запирания. Как следствие, возникают значительные коммутационные потери.
В реальных трансформаторах существует индуктивность рассеяния. Она препятствует мгновенной передаче мощности трансформатором в его вторичную обмотку, из-за чего на первичной обмотке возникают короткие выбросы напряжения. Если амплитуда напряжения на силовом транзисторе, перешедшем в непроводящее состояние, достигнет значения напряжения пробоя, то в этом транзисторе будет выделена дополнительная энергия, запасенная в индуктивности рассеяния трансформатора.
Высокие коммутационные потери в транзисторах снижают надежность их работы и, соответственно, надежность устройства в целом, а также понижают эффективность преобразования электрической энергии.
Целью предложения, содержащегося в данной заявке, является повышение энергетической эффективности и надежности устройства.
Предлагаемое устройство представлено на фиг. 1.
Существенные признаки предлагаемого устройства, совпадающие с аналогичными признаками прототипа, состоят в том, что:
- Двухтактный DC/DC-преобразователь содержит основной дроссель с силовой обмоткой, трансформатор с первичной и вторичной обмотками, мостовой транзисторный (ключевой) коммутатор тока первичной обмотки трансформатора, выпрямитель тока вторичной обмотки, конденсатор выходного фильтра, первый и второй диоды, дополнительный дроссель и дополнительный конденсатор.
- Первый вывод силовой обмотки основного дросселя подключен к первой шине питания, а между вторым выводом этой обмотки и второй шиной питания включена входная цепь мостового транзисторного коммутатора, к выходной цепи которого присоединена первичная обмотка трансформатора.
- Вторичная обмотка трансформатора через выпрямитель тока этой обмотки подключена к конденсатору выходного фильтра.
Существенные отличительные признаки предлагаемого устройства, состоят в том, что:
- Между вторым и первым выводами силовой обмотки основного дросселя включены дополнительный конденсатор и первый диод соответственно, которые соединены последовательно.
- Общая точка дополнительного конденсатора и первого диода связана со второй шиной питания через последовательную цепь в виде второго диода и обмотки дополнительного дросселя.
- Вентильные проводимости первого и второго диодов, соединенных последовательно, совпадают.
На фиг. 2 приведен вариант схемы предлагаемого устройства, который отличается от варианта схемы на фиг. 1 тем, что в основной дроссель введена вторая обмотка, связанная магнитно с его силовой обмоткой, и эта вторая обмотка основного дросселя включена в упомянутую последовательную цепь и соединена последовательно с обмоткой дополнительного дросселя.
В устройстве на фиг. 1 между первой шиной питания 1 и второй шиной питания 2 включен источник энергии 3 в виде источника напряжения. К шине питания 1 подключен первый вывод (начало) силовой обмотки 4 основного дросселя.
Первичная обмотка 5 трансформатора 6 включена между вторым выводом силовой обмотки 4 основного дросселя и второй шиной питания 2 через мостовой транзисторный коммутатор 7 тока первичной обмотки 5 трансформатора 6. Входная цепь моста включена между вторым выводом силовой обмотки 4 основного дросселя и второй шиной питания 2, а первичная обмотка 5 трансформатора 6 подключена к выходной цепи транзисторного моста.
Вторичная обмотка 8 трансформатора 6 через выпрямитель 9 тока этой обмотки подключена к конденсатору 10 выходного фильтра. Параллельно этому конденсатору включена нагрузка 11.
Между вторым и первым выводами силовой обмотки 4 основного дросселя включены дополнительный конденсатор 12 и первый диод 13 соответственно, которые соединены последовательно.
Общая точка дополнительного конденсатора 12 и первого диода 13 связана со второй шиной питания 2 через последовательную цепь в виде второго диода 14 и обмотки 15 дополнительного дросселя, причем совпадают вентильные проводимости первого и второго диодов, соединенных последовательно.
В схеме на фиг. 2 основной дроссель дополнен второй обмоткой 16, которая магнитно связана с силовой обмоткой 4 этого дросселя. Вторая обмотка 16 основного дросселя введена в упомянутую последовательную цепь и соединена последовательно с обмоткой 15 дополнительного дросселя.
Цели технического решения, предлагаемого в данной заявке, достигаются благодаря взаимодействию существенных известных и отличительных признаков устройства.
В стационарном режиме работы двухтактного DC/DC-преобразователя, выполненного по схеме на фиг. 1, в первой части каждого такта в состоянии высокой проводимости находятся все транзисторы мостовой схемы. При этом первичная обмотка 5 трансформатора 6 оказывается закороченной, к силовой обмотке 4 основного дросселя приложено напряжение питания, и в нем накапливается энергия.
Во второй части первого такта запираются два транзистора, находящиеся в двух противолежащих ветвях транзисторного моста (например, второй и третий транзисторы), а два других (первый и четвертый) продолжают работать в состоянии высокой проводимости. При этом через выходные цепи первого и четвертого транзисторов первичная обмотка 5 трансформатора 6 оказывается подключенной началом ко второму выводу силовой обмотки 4 основного дросселя, а концом - ко второй шине 2.
Во второй части второго такта запираются два транзистора, находящиеся в двух других противолежащих ветвях транзисторного моста (первый и четвертый транзисторы), а оставшиеся (второй и третий) продолжают работать в состоянии высокой проводимости. При этом через выходные цепи второго и третьего транзисторов первичная обмотка 5 трансформатора 6 оказывается подключенной концом ко второму выводу силовой обмотки 4 основного дросселя, а началом - ко второй шине 2.
Таким образом, на первичной обмотке 5 трансформатора 6 возникает знакопеременное напряжение. Его величина превышает напряжение питания на значение напряжения, возникающего на обмотке 4 основного дросселя на интервале вывода из него ранее накопленной энергии.
К началу каждого нового такта работы схемы дополнительный конденсатор 12 оказывается заряженным до уровня, который равен разности между потенциалом, возникающим на втором выводе силовой обмотки 4 основного дросселя, и напряжением питания. При этом полярность напряжения на конденсаторе 12: плюс - на выводе, который подключен ко второму выводу силовой обмотки 4, и минус - на выводе, который соединен с первым диодом 13.
В начале каждого такта заряженный конденсатор 12 разряжается через выходные цепи силовых транзисторов моста, второй диод 14 и обмотку 15 дополнительного дросселя. Процесс разряда имеет колебательный характер, и в конце этого процесса конденсатор 12 вновь оказывается заряженным практически до того же уровня, какой имел место на интервале запертого состояния двух транзисторов моста, находящихся в его противолежащих ветвях. Однако теперь напряжение на конденсаторе 12 имеет обратную полярность: минус - на выводе, который подключен ко второму выводу силовой обмотки 4, и плюс - на выводе, который соединен с первым диодом 13.
Если напряжение обратной полярности на конденсаторе 12 меньше, чем напряжение питания, то в начале второй части каждого такта, когда запираются транзисторы моста, находящихся в его противолежащих ветвях, напряжение на них скачкообразно нарастает. Это нарастание происходит до уровня, который равен разности между напряжением питания и напряжением обратной полярности на конденсаторе 12. Затем напряжение на транзисторах моста, перешедших в запертое состояние, начинает нарастать плавно из-за процесса перезаряда конденсатора 12 током силовой обмотки 4 основного дросселя.
В исходной схеме при запирании транзистора напряжение на нем скачкообразно нарастает до уровня, равного сумме напряжения питания и напряжения, которое возникает на силовой обмотке 4 основного дросселя на интервале вывода из него накопленной энергии.
Таким образом, применение описанного технического решения позволяет снизить начальный скачок напряжения на  транзисторах моста, перешедших в запертое состояние, и затем создать условие для плавного нарастания этого напряжения. Тем самым снижается уровень коммутационных потерь энергии в транзисторах моста при их запирании и повышается надежность их работы. В целом это способствует повышению надежности DC/DC-преобразователя и увеличению энергетической эффективности процесса преобразования энергии.
В схеме на фиг. 2 дополнительная вторичная обмотка 16 трансформатора 6 обеспечивает условия для того, чтобы в колебательном процессе перезаряда конденсатора 12 на интервале состояния высокой проводимости всех транзисторов коммутатора 7, выполненного по схеме моста, конечное значение напряжения на конденсаторе 12 установилось бы на уровне напряжения питания. При этом отпирается первый диод 13, и излишек энергии, запасенной в дополнительном дросселе, возвращается в источник питания.
Если установить коэффициент трансформации дополнительной обмотки 16 равным половине, то к моменту запирания транзисторов коммутатора тока 7, выполненного по схеме моста, конденсатор 12 окажется заряженным до уровня напряжения питания, причем это будет иметь место независимо от значения выходного напряжения преобразователя. В этом случае при запирании силовых транзисторов коммутатора 7 начальный скачок напряжения на них будет отсутствовать, и напряжение начнет плавно нарастать практически от нулевого уровня, чем обеспечивается снижение коммутационных потерь энергии в транзисторах в процессе их запирания.
Источники информации
1. Мелешин В.И., Овчинников Д.А. Управление транзисторными преобразователями электроэнергии. - М.: Техносфера, 2011. - 576 с.