ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ ПОНИЖАЮЩЕГО ТИПА С МЯГКОЙ КОММУТАЦИЕЙ

Полезная модель относится к области электротехники, электроники и преобразовательной техники и может быть использована для электроснабжения потребителей постоянного тока пониженным уровнем и высокой стабильностью напряжения по отношению к первичному источнику электропитания, в качестве которого может служить источник энергии с нестабильной внешней характеристикой, например солнечная батарея.
Известен непосредственный преобразователь постоянного напряжения понижающего типа [1, 2], состоящий из входного, выходного и общего выводов, транзистора, диода, дросселя и выходного конденсатора. Преобразователь обеспечивает энергопитание нагрузки пониженным уровнем напряжения по сравнению с напряжением источника питания. Достоинствами «классического» НПН понижающего типа являются применение малого числа электрорадиоэлементов и простота его алгоритма управления. Недостатком схемы «классического» преобразователя является наличие значительных динамических потерь, возникающих в ходе режимов жесткой коммутации транзистора.
Одним из способов уменьшения динамических потерь в схемах преобразователей является применение пассивных бездиссипативных снабберных цепей, обеспечивающих широтно-импульсную коммутацию транзисторов преобразователя при нуле напряжения или при нуле тока [3, 4].
Известен ключевой элемент [5], который может быть использован в повышающе-понижающих преобразователях напряжения с двухобмоточным дросселем, обеспечивающий мягкое включение силового транзистора, состоящий из входного, выходного и общего выводов, силового транзистора, пяти диодов, двух дросселей, дополнительного выходного вывода ключевого элемента и двух конденсаторов. Для обеспечения «мягкого» включения силового транзистора второй дроссель через дополнительный выходной вывод ключевого элемента включен в цепь второй обмотки двухобмоточного дросселя повышающе-понижающего преобразователя напряжения, а для уменьшения перенапряжения на силовом транзисторе после «мягкого» отключения из-за скачкообразного увеличения тока во втором дросселе, введена дополнительная цепочка из пятого диода и второго конденсатора, шунтирующая второй дроссель, четвертый диод необходим для перезаряда второго конденсатора. Однако известный ключевой элемент имеет значительное количество дополнительных элементов снабберной цепи, что приводит к увеличению массогабаритных параметров преобразователя.
В качестве прототипа изобретения выбран вариант реализации преобразователя понижающего типа, содержащий бездиссипативную снабберную цепь [6], состоящий из входного источника энергии, транзистора, силового диода, выходного дросселя, выходного конденсатора, нагрузки и снабберной цепи в составе: трех диодов, дросселя и двух конденсаторов.
Плюсовая шина входного источника энергии, транзистор, дроссель снабберной цепи и выходной дроссель соединены последовательно и подключены к первому выводу выходного конденсатора и первому выводу нагрузки. Второй вывод первого диода и первый вывод первого конденсатора снабберной цепи соединены между собой в общую точку. При этом первый вывод первого диода снабберной цепи подключен между транзистором и первым выводом дросселя снабберной цепи. Второй вывод первого конденсатора снабберной цепи соединен со вторым выводом третьего диода снабберной цепи, вторым выводом силового диода, вторым выводом выходного конденсатора, вторым выводом нагрузки и вторым выводом источника энергии. Второй вывод второго конденсатора и первый вывод третьего диода снабберной цепи соединены между собой в общую точку. При этом первый вывод второго конденсатора снабберной цепи подключен ко второму выводу дросселя снабберной цепи, первому выводу силового диода и первому выводу выходного дросселя. Первый вывод второго диода снабберной цепи соединен с общей точкой последовательно соединенных первого диода и первого конденсатора снабберной цепи, второй вывод второго диода соединен с общей точкой последовательно соединенных второго конденсатора и третьего диода снабберной цепи.
Недостатком схемы прототипа является наличие паразитных высокоамплитудных высокочастотных колебаний на силовом диоде, вызванных физическими процессами, протекающими в снабберной цепи, что отрицательно сказывается на электромагнитной совместимости элементов в схеме и затрудняет выбор силового диода по максимальному допустимому обратному напряжению.
Задача, на решение которой направлена заявленная полезная модель, заключается в улучшении электромагнитной совместимости элементов в схеме преобразователя постоянного напряжения понижающего типа с бездиссипативной снабберной цепью.
Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи, достигается за счет соединения второго вывода силового диода преобразователя со вторым выводом второго конденсатора снабберной цепи, вторым выводом второго диода снабберной цепи и с первым выводом третьего диода снабберной цепи. При этом третий диод снабберной цепи предназначен для обеспечения мягкого переключения силовых элементов схемы, а также выступает в качестве второго силового диода, тем самым распределяя прикладываемое напряжение.
На фиг. 1 изображен предлагаемый преобразователь напряжения понижающего типа с бездиссипативной снабберной цепью.
Преобразователь состоит из входного Uп, выходного Uн и общего выводов Uo, входного конденсатора 1, транзистора 2, диодов 3, 6 и 8 снабберной цепи, силового диода 9, конденсаторов 4, 7 снабберной цепи и выходного конденсатора 11, дросселя 5 снабберной цепи и дросселя 10.
Плюсовая шина входного вывода Uп, транзистор 2, дроссель 5 и выходной дроссель 10 соединены последовательно и подключены к первому выводу выходного конденсатора 11 и выходному выводу Uн. Первый вывод входного конденсатора 1 подключен между входным выводом Uп и транзистором 2.
Первый вывод диода 3 подключен между транзистором 2 и первым выводом дросселя 5. Второй вывод диода 3, первый вывод конденсатора 4 и первый вывод диода 6 соединены между собой в общую точку.
Первый вывод конденсатора 7 подключен ко второму выводу дросселя 5, первому выводу силового диода 9 и первому выводу выходного дросселя 10. При этом второй вывод конденсатора 7, второй вывод диода 6, первый вывод диода 8 и второй вывод силового диода 9 соединены между собой в общую точку.
Второй вывод конденсатора 4 соединен со вторым выводом входного конденсатора 1, вторым выводом диода 8, вторым выводом выходного конденсатора 11 и общим выводом схемы Uo.
Принцип работы преобразователя заключается в следующем (фиг. 2).
На рисунке приняты следующие обозначения: Uу1 - сигнал управления транзистором 2, I2 - ток транзистора 2, Uc-и - напряжение затвор-исток транзистора 2, I5 - ток дросселя 5, U1 - напряжение конденсатора 1, U4 - напряжение конденсатора 4, I9 - ток диода 9, I8 - ток диода 8, U8 - напряжение на диоде 8, U9 - напряжение на диоде 9.
0
1
На интервале открытия транзистора t-t ток через дроссель 5 снабберной цепи нарастает плавно, обеспечивая мягкое включение транзистора 2. За этот период ток дросселя 5 снабберной цепи нарастает до значения тока основною дросселя 10.
1-2
IVDобр
В течение времени t происходит запирание диодов 8 и 9 обратным напряжением, при этом резонансный процесс между дополнительным дросселем 5 снабберной цепи и конденсаторами 4 и 7 снабберной цепи не начнется до полного разряда барьерной емкости диодов 8 и 9, наличие которой вызывает обратный ток восстановления . Ток основного дросселя 10 при этом протекает через транзистор 2.
2
В момент времени t начинается резонансный процесс между дросселем 5 снабберной цепи и конденсаторами 4 и 7 снабберной цепи по контуру протекания тока через силовые элементы преобразователя: входной конденсатор 1 - транзистор 2 -дроссель 5 снабберной цепи - конденсатор 7 снабберной цепи - снабберный диод 6 - конденсатор 4 снабберной цепи.
4
3
Резонансный процесс протекает до момента времени t, когда конденсатор 4 снабберной цепи зарядится до значения напряжения питания. В момент времени t ток дросселя 5 снабберной цепи достигнет своего максимального значения.
4
В момент времени tпродолжается сброс оставшейся энергии с дросселя 5 снабберной цепи по контуру: дроссель 5 снабберной цепи - конденсатор 7 снабберной цепи - диоды 6 и 3 снабберной цепи. Осуществляется заряд конденсатора 7 снабберной цепи. По окончании этого процесса ток дросселя 5 снабберной цепи спадет до значения тока основного дросселя 10, а напряжение на конденсаторе 7 снабберной цепи будет иметь свое максимальное значение.
5
5-6
6
Момент времени t определяется окончанием переходного процесса. На интервале t принцип работы схемы аналогичен принципу работы схемы «классического» понижающего преобразователя в режиме с жесткой коммутацией, при котором потери определяются сопротивлением канала транзистора 2. Этот режим работы будет сохраняться до момента t выключения транзистора 2.
6
7
В момент времени t начинается плавный разряд конденсатора 4 снабберной цепи, время разряда которого определяет потери на выключение транзистора 2 при нуле напряжения. Этот интервал работы закончится в момент времени t, когда конденсатор 4 снабберной цепи разрядится до максимального значения напряжения конденсатора 7 снабберной цепи.
7
В момент времени t, когда напряжения на конденсаторах 4 и 7 снабберной цепи становятся равными, разряжаться через нагрузку начинают сразу оба конденсатора.
8
В момент времени t конденсатор 4 снабберной цепи полностью разрядится и ток дросселя 5 снабберной цепи начнет протекать через все диоды 3, 6, и 8 снабберной цепи, тем самым сбрасывая накопленную энергию в нагрузку. Конденсатор 7 снабберной цепи продолжит свой разряд на этом интервале.
9
10
В момент времени t ток через дроссель 5 снабберной цепи прекращается. После полного разряда конденсатора 7 снабберной цепи в момент времени t наступит второй основной режим работы преобразователя понижающего типа с мягкой коммутацией, когда ток основного дросселя 10 протекает через два диода 8 и 9. Остальные элементы снабберной цепи в этом режиме не активны.
В дальнейшем цикл работы повторяется на каждом периоде.
Преимущество данного преобразователя понижающего типа с мягкой коммутацией заключается в улучшении электромагнитной совместимости силовых элементов в схеме преобразователя за счет уменьшения величины паразитных высокоамплитудных высокочастотных колебаний на силовом диоде, вызванных физическими процессами, протекающими в снабберной цепи, что реализуется путем совмещения функций третьего диода снабберной цепи и за счет распределения прикладываемого напряжения на третьем диоде снабберной цепи не превышающем напряжение питания и падения напряжения на силовом диоде, определяемом зарядной емкостью параллельного второго конденсатора снабберной цепи. Также за счет принятых схемотехнических решений упрощается выбор силового диода по максимальному допустимому обратному напряжению.
Использованные источники
1. Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 376 с.
2. Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. - М.: Энергоатомиздат, 1992. - 296 с.
3. A ZVT-ZCT PWM synchronous buck converter with a simple passive auxiliary circuit for reduction of losses and efficiency enhancement / S. Shiva Kumar, A.K. Panda, Tejavathu Ramesh // Ain Shams Engineering Journal. - Volume 6. - Issue 2. - June 2015. Pages 491-500.
4. On the Development of High Power DC-DC Step-Down Converter with Energy Recovery Snubber / Alok Singh, Mangesh B. Borage, Sunil R. Tiwari, and A.C. Thakurta // Advances in Power Electronics. - Volume 2012. - Pages 1-10.
5. Пат. РФ №2339148, H02M 3/335. Ключевой элемент./ Казанцев Ю.М., Лекарев А.Ф., Солдатенко В.Г. Заявка №2007124858/09 от 02.07.2007. Опубл. 20.11.2008, Бюл. №32.
6. A detailed analytical analysis of a passive resonant snubber cell perfectly constructed for a pulse width modulated d.c.-d.c. buck converter / H. Bodur, A.F. Bakan, M. Baysal // Electrical Engineering, Springer-Verlag. - 2003. - Volume 85. - Issue 1. - PP. 45-52.