РЕЗОНАНСНЫЙ МОСТОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к области преобразовательной техники.
Известен преобразователь (патент RU №2447571), включающий в себя входную емкость, мостовой преобразователь из четырех ключевых элементов, трансформатор, выпрямитель и выходную емкость, а также схему формирования импульсов с компаратором и переключателем режима работы, связанным с ключевым элементами. Ключевые элементы поочередно замыкаются и размыкаются по сигналу схемы формирования импульсов, и когда одна пара ключевых элементов разомкнута, другая замкнута и наоборот.
Так же известен преобразователь (патент RU №117744), включающий в себя входную емкость, мостовой преобразователь из четырех ключевых элемента, трансформатор, выпрямитель и выходную емкость, а также схему формирования импульсов, связанную с ключевыми элементами. В качестве ключевых элементов используются биполярные, полевые или IGBT транзисторы, имеющие внутренний обратный диод, или силовые транзисторы с дополнительно установленными обратными диодами. Ключевые элементы поочередно замыкаются и размыкаются по сигналу схемы формирования импульсов, и когда одна пара ключевых элементов разомкнута, другая замкнута и наоборот.
Известные схемы не предусматривают учет величины напряжения и/или тока в моменты переключения ключевых элементов, то есть при каждом переключении происходит потеря энергии. Недостатком известных устройств является низкий коэффициент полезного действия в силу отсутствия учета напряжения и тока в моменты переключения ключевых элементов.
Ближайшим по совокупности существенных признаков является мостовой преобразователь (патент RU 2459342), включающий в себя мост с четырьмя ключевыми элементами, содержащими ключ и диод и подключенными к источнику питания, последовательный и параллельный колебательные контуры, трансформатор, обмотка которого последовательно соединена с колебательным контуром, выпрямитель, емкость и схему формирования импульсов. Емкость включена параллельно выпрямителю на выходе преобразователя. Параллельный контур образован сопротивлением суммарной нагрузки, приведенной к первичной стороне трансформатора, емкостью, шунтирующей трансформатор, и индуктивностью трансформатора. Последовательный контур образован емкостью и индуктивностью, подключенными последовательно с первичной обмоткой трансформатора. Элементы колебательного контура обеспечивают его резонансную частоту такую, что полупериод собственных колебаний контура приблизительно равен длительности импульсов, поступающих с заданной частотой повторения на верхние (или нижние) ключевые элементы.
Недостатком является отсутствия учета величины напряжения и тока в моменты переключения ключевых элементов, что ведет к низкому коэффициенту полезного действия (КПД) преобразователя.
Задачей полезной модели является создание преобразователя постоянного напряжения с высоким КПД.
Задача решается за счет того, что резонансный мостовой преобразователь напряжения включает в себя мост из четырех ключевых элементов с обратными диодами, подключенный к источнику питания, трансформатор, выпрямитель, подключенный между вторичной обмоткой трансформатора и нагрузкой, емкость, включенную параллельно выпрямителю на выходе преобразователя, последовательный колебательный контур, содержащий вторую емкость, включенную последовательно с первичной обмоткой трансформатора, и имеющий схему формирования импульсов, соединенную с ключевыми элементами. Причем на входе преобразователя параллельно источнику включена входная емкость, а в диагональ моста включена индуктивность. Ключевые элементы по разные стороны индуктивности в диагонали моста включают в себя емкости, образующие параллельный колебательный контур с индуктивностью, включенной в диагональ моста. При этом элементы параллельного колебательного контура и ключевых элементов подобраны таким образом, что интервал времени, когда все ключевые элементы закрыты, меньше или равен полупериоду собственных колебаний параллельного контура.
Техническим результатом является обеспечение высокого КПД устройства.
Технический результат достигается тем, что переключение ключевых элементов осуществляется в момент времени, когда токи и напряжения в ключевых элементах одновременно близки к нулю.
Индуктивность введена в диагональ моста и образует параллельный колебательный контур с емкостями ключевых элементов. Индуктивность накапливает энергию при открытом состоянии ключевых элементов, обеспечивает перезаряд емкостей ключевых элементов при их закрытом состоянии и определяет время перезаряда этих емкостей. Моменты переключения ключевых элементов схемой формирования импульсов выбираются таким образом, чтобы во время переключения напряжение на них было близко к 0, т.е. два ключа закрываются до перезаряда, а два других открываются после завершения перезаряда. Благодаря введению индуктивности, такие моменты времени существуют при любых значениях входного напряжения, тока и емкостей ключевых элементов.
Последовательный контур формирует синусоидальную форму тока в обмотках трансформатора и ключевых элементах, причем период синусоидального колебания зависит только от параметров контура, что позволяет производить переключения ключевых элементов в фиксированные моменты времени, когда ток близок к нулю. Элементы параллельного колебательного контура и ключевых элементов подобраны таким образом, что интервал времени, когда все ключевые элементы закрыты («мертвое время»), меньше или равен полупериоду собственных колебаний параллельного контура. Если «мертвое время» будет больше, чем полпериода колебаний, то напряжение в диагонали моста начнет уменьшаться, и включение ключей уже не будет происходить при нулевом напряжении, то есть увеличатся потери.
Совокупность признаков по п. 2 характеризует устройство, в котором выпрямитель выполнен на управляемых ключах на полевых транзисторах. Это позволяет дополнительно уменьшить потери на проводимость и повысить КПД преобразователя, так как открытый полевой транзистор представляет собой малое сопротивление, и падение напряжение на нем может быть обеспечено (путем выбора транзистора) намного меньшим, чем падение напряжения на открытом диоде.
Совокупность признаков по п. 3 характеризует устройство, в котором последовательного колебательный контур образован емкостью, включенной последовательно с первичной обмоткой трансформатора, и индуктивностью рассеяния этого трансформатора, что позволяет упростить схему устройства.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана структурная электрическая схема устройства, заключенного в едином корпусе, на фиг. 2. - эквивалентная электрическая схема устройства, на фиг. 3 показана временная диаграмма работы преобразователя, на фиг. 4. показаны направления протекания токов во время работы схемы (фиг. 4(a) для периода времени t2-t5, фиг. 4(б) для периода времени t5-t6, фиг. 4(в) - состояние в момент времени t6, фиг. 4(г) - для периода времени t6-t3, фиг. 4(д) - для периода времени t3-t4, фиг. 4(e) - состояние в момент времени t4).
Преобразователь (фиг. 1) содержит мост из ключевых элементов 1-4 (К1-К4), подключенный к входу преобразователя, причем в диагональ моста включена индуктивность 5 (L1). Емкость 6 (С1) включена последовательно с первичной обмоткой трансформатора 7 (Т) и входит в состав последовательного колебательного контура. Выпрямитель 8 (В) подключен к вторичной обмотке трансформатора 7 (Т). Емкость 9 (Свых), включена параллельно выпрямителю 8 (В) на выходе преобразователя. Выходы схемы формирования импульсов 10 (СФИ) соединены с входами ключевых элементов 1-4. Для обеспечения низкого полного сопротивления на входе преобразователя включена входная емкость 11 (Свх).
На фиг. 2. показано, что в качестве ключевых элементов 1 -4 использованы полевые транзисторы, в структуру которых входит транзистор, шунтированный диодом и емкостью. Благодаря емкости 11 (Свх), для переменного тока точки «+» и «-» Uвх замкнуты, поэтому емкость параллельного контура может быть подключена параллельно любым двум ключевым элементам в плечах моста по разные стороны индуктивности 5 (L1). Для примера введены емкости С2 и С4 в ключевые элементы 2 и 4. Возможно введение емкостей С1 и С3 в ключи 1 и 3 или во все четыре ключа, при этом работа устройства аналогична. В качестве емкости может использоваться собственная емкость ключа (транзистора) или отдельный конденсатор.
Последовательный колебательный контур образован емкостью 6 (С1) и индуктивностью 12 (L2), причем в качестве L2 может использоваться индуктивность рассеяния трансформатора 7, что позволяет упростить схему устройства и анализ ее работы. При этом параметры образующих этот контур элементов обеспечивают равенство половины периода его собственных колебаний длительности импульсов переключения ключевых элементов. Выпрямитель 8 с диодами VD5-VD8 подключен к вторичной обмотке трансформатора.
Работа устройство поясняется фиг. 3 и фиг. 4. и осуществляется следующим образом.
Работу преобразователя рассмотрим, начиная с момента времени t2. В этот момент: ключевые элементы 2 и 3 замкнуты, а 1 и 4 - разомкнуты; ток в цепи, образованной элементами 6 (С1), 12 (L2), 7 (Т), близок к нулю; емкость 6 (С1) заряжена до максимального напряжения. Ток в индуктивности 5 (L1) близок к максимальному; напряжение на входной емкости 11 Свх равно напряжению источника питания; напряжение на емкости 9 (Свых) равно напряжению источника питания, умноженному на коэффициент трансформации Т. Поскольку ток в первичной обмотке трансформатора 7 близок к нулю, ток индуктивности 5 (L1) протекает через замкнутые ключи 2 и 3 емкость 11 (Свх) и источник питания, возвращая накопленную в индуктивности 5 (L1) энергию в емкость 11 Свх и источник питания. Емкость 6 (С1) начинает разряжаться, при этом ток протекает через первичную обмотку трансформатора 7, и вызывает пропорциональный ток во вторичной обмотке трансформатора 7, который протекает через диоды VD6, VD7, емкость 9 (Свых) и нагрузку. В то же время через ключи 2 и 3, протекает ток индуктивности 5 (L1) в противоположном направлении. В момент времени t5 (фиг. 4(6)), ток в контуре L2C1, сравняется с током индуктивности 5 (L1), поскольку он направлен противоположно, начинается потребление энергии из источника. При этом до момента t6, в нагрузку передается энергия из индуктивности 5 (L1), а после t6 энергия из источника передается в нагрузку и накапливается в индуктивность 5 (L1), (фиг. 4(в), (г)).
Поскольку элементы 12 и 6 образуют колебательный контур L2C1, в нем происходит свободный колебательный процесс в течение всего времени t2-t3. При этом в момент t6 емкость 6 разрядится до нуля, а к моменту t3 снова зарядится в противоположном направлении. Ток в контуре в момент t6 достигнет максимума, а к моменту t3 снова уменьшится до нуля. В течение t2-t3 ток будет иметь синусоидальную форму. Поскольку этот ток протекает через первичную обмотку трансформатора 7, во вторичной обмотке возникает пропорциональный ему ток, который протекает через диоды VD6, VD7, емкость 9 (Свых) и нагрузку.
Длительность интервала t2-t3 равна половине периода собственных колебаний контура L1C1, и в первом приближении не зависит ни от каких других величин.
К моменту t3 схема будет находиться в состоянии: ток в цепи C1, L2, T1:1,2 близок к нулю; емкость 6 (С1) заряжена до максимального напряжения; ток в индуктивности 5 (L1) близок к максимальному.
Промежуток времени t3-t4 (фиг. 4(д)) - «мертвое время» ключевых элементов, в промежуток времени t3-t4 все ключевые элементы закрыты.
В момент t3 сигналом схемы формирования импульсов 10 закрываются ключи 2 и 3. Поскольку параллельно ключам включены емкости С2, С4, за время закрытия, напряжение на ключах не успевает заметно измениться, что обеспечивает малые потери на переключение. После закрытия ключей, происходит перезарядка емкостей С2, С4, током индуктивности 5 (L1). Сначала, на интервале t3-t7, емкость С4 разряжается через индуктивность 5 (L1) и емкость С2, при этом ток индуктивности 5 (L1), продолжает увеличиваться, т.к. напряжение на С4 больше, чем на С2.
В момент t7, напряжение на С2 и С4 одинаковое. На интервале t7-t4, ток индуктивности 5 (L1) продолжает разряжать емкость С4 и заряжать емкость С2. В момент t4, напряжение на емкости С2 становится равным напряжению источника, а на С4 - равным нулю.
Напряжение на С2 могло бы расти, а на С4-падать и далее пока в индуктивности 5 (L1) течет ток, но открываются диоды VD1 и VD4, ограничивая напряжения на емкостях. Ток индуктивности 5 (L1) течет через открытые диоды и источник питания, энергия индуктивности возвращается в источник питания.
Одновременно с перезарядом емкостей С2, С4, ток индуктивности 5 (L1) течет через колебательный контур L2C1 и первичную обмотку трансформатора 7, вызывая пропорциональный ток во вторичной обмотке, который перезаряжает паразитные емкости (на фигурах не показаны) диодов VD5-VD8.
Из-за наличия L2, напряжение на диодах изменяется медленнее, чем на емкостях С2, С4, но при малой величине L2, это различие незначительно и не влияет на работу схемы.
Также, емкость 6 начинает разряжаться через индуктивность 11, трансформатор 7, индуктивность 5 (L1), но пока ток в контуре L2C1 меньше, чем ток индуктивности 5 (L1), напряжения на ключах и диодах не изменяются. Токи сравняются в момент t8.
Время t3-t4 определяется емкостями С2, С4, индуктивностью 5(L1).
В момент t4, или несколько позже, но ранее t8, сигналом схемы формирования импульсов 11, открываются ключи 1 и 4. Ток индуктивности 5 (L1) начинает течь через них. При этом напряжение на ключах равно нулю и потери при включении отсутствуют.
Емкость 6 начинает разряжаться, при этом ток протекает через первичную обмотку трансформатора 7, и вызывает пропорциональный ток во вторичной обмотке трансформатора 7, который протекает через диоды VD5, VD8, емкость 9 и нагрузку. В то же время через ключи 1 и 4, протекает ток индуктивности 5 (L1) в противоположном направлении.
В момент времени t8, ток в контуре L2C1, сравняется с током индуктивности 5 (L1), поскольку он направлен противоположно, начинается потребление энергии из источника. При этом до момента t9, в нагрузку передается энергия из 5 (L1), а после t9 энергия из источника передается в нагрузку и накапливается в 5 (L1).
В контуре L2C1 снова происходит свободный колебательный процесс в течение t4-t1. При этом в момент t9 емкость 6 разрядится до нуля, а к моменту t1 снова зарядится в противоположном направлении. Ток в контуре в момент t9 достигнет максимума, а к моменту t1 снова уменьшится до нуля. В течение t4-t1 ток будет иметь синусоидальную форму. Поскольку этот ток протекает через первичную обмотку трансформатора 7, во вторичной обмотке возникает пропорциональный ему ток, который протекает через диоды VD5, VD8, емкость 9 и нагрузку.
В момент t1 сигналом схемы формирования импульсов 11 закрываются ключи 1 и 4.
В интервале t1-t2 за счет тока индуктивности 5 (L1) происходит перезаряд емкостей С2, С4, паразитных емкостей диодов VD5-VD8, аналогично тому, как это происходило в интервале t3-t4.
В момент t2 снова начинается колебательный процесс в контуре L2C1, открываются ключи 2 и 3 (момент открытия ключей может быть позже t2, но раньше t5, при этом ключи открываются при нулевом напряжении и потери на включение отсутствуют) и процесс повторяется.
Поскольку интервал t2-t3 (t4-t1) определяется индуктивностью L2 и емкостью С1 и не зависит от внешних факторов, а интервал t1-t2 (t3-t4) определяется 5 (L1), С2, С4, и момент открытия ключей может быть выбран произвольно в интервале t2-t5 (t4-t8) возможно жестко задать моменты переключения такими, чтобы потери на переключение были минимальными. Таким образом, удается значительно уменьшить потери на переключение ключей.
Полевые транзисторы, в отличие от диодов, требуют подачи управляющего напряжения для открытия. В рассматриваемом преобразователе на интервале времени t4-t1 ток протекает через ключи 1 и 4 и диоды VD5, VD8, а на интервале t2-t3 - через ключи 2 и 3 и диоды VD6, VD7. Данная особенность позволяет при использовании в выпрямителе 8 полевых транзисторов, подавать на их затворы управляющее напряжение одновременно с включением соответствующих ключей 1-4, то есть не требуется контроль тока через транзисторы и отдельная схема управления выпрямителем. В случае, если временные характеристики ключей 1-4 и транзисторов выпрямителя 8 существенно отличаются, управляющие сигналы на транзисторы выпрямителя 8 могут подаваться с небольшим опережением или задержкой относительно ключей 1-4, но это опережение или задержка постоянная, не зависит от напряжения и нагрузки, и может быть реализована в той же схеме формирования импульсов 10, что и сигналы управления ключами 1-4.
Пример. Резонансный мостовой преобразователь может быть реализован на микросхеме UCC28084, использованной в качестве схема формирования импульсов. В качестве ключей 1-4 использованы полевые транзисторы IPB107N20, Выпрямитель выполнен на полевых транзисторах IRFS3004. В качестве L2 использована индуктивность рассеяния трансформатора Т, входное напряжение 145 В, выходное напряжение 29 В, мощность 1 кВт. Частота преобразования 100 кГц, управляющие сигналы на транзисторы К1-К4 и на соответствующие транзисторы выпрямителя подаются одновременно.
Эксперименты показали, что реализация заявляемого устройства позволяет достигать значений КПД преобразователя напряжения свыше 97%.