ПОНИЖАЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ВХОДОМ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)

Предложение относится к электротехнике и может быть использовано при разработке устройств, обеспечивающих понижение напряжения питания с высокого уровня на низкий уровень, выполненных на низковольтных транзисторах.
Известен DC/DC преобразователь с источником питания постоянного тока на входе, содержащий включенные последовательно транзисторы и диоды, каждый из которых шунтирован RC-цепочкой [1]. Нагрузка к преобразователю подключена через выходной LC-фильтр, дроссель которого соединен с отрицательным выводом преобразователя. Регулирование напряжения на выходе преобразователя осуществляется путем коммутации транзистора. Недостатком такого преобразователя является то, что транзисторы выбираются по уровню входного напряжения, поэтому с ростом входного напряжения требуются транзисторы с большим номинальным напряжением. Для защиты от перенапряжений на транзисторе параллельно ему подключена RC цепочка. Увеличение напряжения на транзисторе приводит к увеличению динамических потерь на переключение.
Известен также DC/DC преобразователь с источниками постоянного тока на входе, содержащий включенные последовательно транзисторы, каждый из которых шунтирован диодом [2]. Нагрузка к преобразователю подключена через выходной LC-фильтр, дроссель которого соединен с отрицательным выводом преобразователя. Для обеспечения возможности использования этого преобразователя на высокие входные напряжения в нем имеется два независимых источника питания, общая точка которых соединена с общей точкой двух последовательно включенных диодов. Недостатком такой схемы является необходимость двух независимых источников питания и сложность схемы, обусловленная большим количеством элементов.
Ближайшим к предлагаемому является понижающий преобразователь с входом высокого напряжения, содержащий источник питания постоянного тока, параллельно включенные входной конденсатор и цепь из ключевого элемента (транзистора) и диода, а также выходной LC-фильтр [3]. Дроссель низкочастотного фильтра может быть соединен как с положительным, так и с отрицательным выводом ключевого элемента, а выводы конденсатора фильтра являются выходами преобразователя. Регулирование напряжения осуществляется путем коммутации транзистора методом широтно-импульсной модуляции, в релейном режиме или комбинацией методов.
Основным недостатком известных схем преобразователя является то, что транзисторы выбираются по уровню входного напряжения, поэтому с ростом входного напряжения требуются транзисторы с большим номинальным напряжением. Увеличение напряжения транзистора ведет к увеличению динамических потерь на переключение и требует снижения частоты коммутаций, росту габаритов дросселей и емкостей конденсаторов выходного фильтра. Увеличение напряжения транзистора ограничено также номенклатурой выпускаемых изделий.
Предложение решает задачу расширения диапазона допустимых входных напряжений.
Технический эффект, возникающий при решении поставленной задачи, заключается в уменьшении напряжения на ключевых элементах и достигается тем, что в известный преобразователь, содержащий источник питания постоянного тока, параллельно включенные входной конденсатор и цепь из ключевого элемента (транзистора) и диода, а также выходной LC-фильтр, образованный конденсатором и дросселем, введены включенные параллельно второй входной конденсатор и вторая цепь из ключевого элемента (транзистора) и диода, при этом один вывод дросселя LC-фильтра подключен к общей точке ключевого элемента и диода одной из упомянутых цепей, а общая точка дросселя и конденсатора LC-фильтра и второй вывод конденсатора, соединенный с общей точкой ключевого элемента и диода второй из упомянутых цепей, служат выходами преобразователя.
По второму варианту технический эффект, возникающий при решении поставленной задачи, заключается в уменьшении напряжения на ключевых элементах и достигается также тем, что в известный преобразователь, содержащий источник питания постоянного тока, параллельно включенные входной конденсатор и цепь из ключевого элемента (транзистора) и диода, а также выходной LC-фильтр, образованный конденсатором и дросселем, введены включенные параллельно второй входной конденсатор и вторая цепь из ключевого элемента (транзистора) и диода, а также второй LC-фильтр, при этом общая точка входных конденсаторов соединена с общей точкой разноименных выводов диодов и общей точкой конденсаторов двух LC-фильтров, дроссели LC-фильтров подключены порознь к другим разноименным выводам диодов, а общие точки конденсатора и дросселя каждого из LC-фильтров служат выходами преобразователя.
Предложение поясняется чертежами, где на фиг. 1 и фиг. 2 приведены схемы предлагаемых преобразователей по первому и второму вариантам соответственно.
Понижающий преобразователь с входом высокого напряжения (фиг. 1) содержит источник питания постоянного тока 1, параллельно включенные входной конденсатор 2 и цепь из ключевого элемента (транзистора) 3 и диода 4, выходной LC фильтр, образованный конденсатором 5 и дросселем 6, а также включенные параллельно второй входной конденсатор 7 и вторая цепь из ключевого элемента (транзистора) 8 и диода 9, при этом один вывод дросселя 6 LC-фильтра подключен к общей точке ключевого элемента 3 и диода 4 (или ключевого элемента 8 и диода 9), а общая точка дросселя 6 и конденсатора 5 LC-фильтра и второй вывод конденсатора 5, соединенный с общей точкой ключевого элемента 8 и диода 9 (или ключевого элемента 3 и диода 4) второй из упомянутых цепей, служат выходами преобразователя.
Понижающий преобразователь с входом высокого напряжения (фиг. 2) содержит источник питания постоянного тока 1, параллельно включенные входной конденсатор 2 и цепь из ключевого элемента (транзистора) 3 и диода и выходной LC-фильтр, образованный конденсатором 5 и дросселем 6, а также включенные параллельно второй входной конденсатор 7 и вторая цепь из ключевого элемента (транзистора) 8 и диода 9, а также второй LC-фильтр, образованный дросселем 10 и конденсатором 11, при этом общая точка входных конденсаторов 2 и 7 соединена с общей точкой разноименных выводов диодов 4 и 9 и общей точкой конденсаторов 5 и 11 двух LC-фильтров, дроссели LC-фильтров порознь подключены к другим разноименным выводам диодов, а общие точки конденсатора 5 и дросселя 6, конденсатора 11 и дросселя 10 служат выходами преобразователя.
Работают преобразователи следующим образом.
В понижающем преобразователе с входом высокого напряжения (фиг. 1) на ключевые элементы (транзисторы) подается напряжение постоянного тока от источника 1, которое распределяется между конденсаторами 2 и 7, при этом каждый ключевой элемент работает на пониженном напряжении. Если управление ключами 3 и 8 одинаковое (управление выполняется с одинаковыми скважностями ШИМ) и элементы схемы (ключи 3 и 8 и диоды 4 и 9) одинаковы, то входное напряжение поделится поровну, ток общего провода между общей точкой конденсаторов 2 и 7 и общей точкой диодов 4 и 9 будет равен нулю. Выходное напряжение, снимаемое с выводов конденсатора может изменяться от нуля до входного напряжения. В этом случае при меньшем напряжении на ключах LC-фильтр имеет стандартное исполнение.
Понижающий преобразователь с входом высокого напряжения (фиг. 2) по сути состоит из двух преобразователей, соединенных последовательно в точке общих проводов. Преобразователи могут работать независимо, либо синхронно, понижая входное напряжение. Напряжение входа поделится на конденсаторах 2 и 7, и каждый из ключевых элементов будет работать на пониженном напряжении. Если управление ведется с одинаковыми скважностями, а элементы в обоих преобразователях одинаковые, то напряжение поделится ровно пополам. Выходное напряжение, снимаемое с выводов конденсаторов 5 и 11, может изменяться от нуля до входного напряжения.
Предлагаемые преобразователи могут применяться на транспорте, например, в метрополитене, где напряжение питающей сети меняется в диапазоне от 550 до 1100 В, что требует применения транзисторов на 1700 В. Предлагаемые преобразователи с использованием транзисторов на 1200 В будут иметь преимущество по частоте коммутации транзисторов и уменьшенным габаритам выходного фильтра, а также по запасу рабочего входного напряжения - 2400 В против 1700 В.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Гончаров А. Начальная школа построения импульсных dc-dc преобразователей / Электронные компоненты. 2002, №2.
2. Остриров В.Н. Влияние силовой электроники на развитие электропривода / Электропривод и развитие техники: докл. науч.-метод. семинара. - М.: Издательский дом МЭИ, 2012.
3. Остриров В.Н. Проектирование электронных преобразователей для регулируемых электроприводов. - М.: Издательский дом МЭИ, 2008, с. 56.