ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ

Заявляемая полезная модель относится к электротехнике, в частности к устройствам преобразования входной энергии постоянного тока в энергию постоянного тока.
Преобразователи напряжения широко используются в таких устройствах как источники питания светодиодного освещения, сварочные аппараты инверторного типа, зарядные устройства аккумуляторных батарей, зарядные устройства емкостных накопителей энергии, а так же в технологических источниках питания, нагрузка которых может изменяться в широких пределах.
Известен преобразователь однофазного переменного напряжения в постоянное инвертирующего типа с корректором коэффициента мощности [1], включающий входной выпрямитель, датчик тока, транзистор, дроссель и отсекающий диод с конденсатором, параллельно которому подключены нагрузка и датчик выходного напряжения, а также схему управления с источником задающего напряжения, выход которого подключен к одному входу схемы сравнения, другой вход которой соединен с выходом датчика выходного напряжения, а выход схемы сравнения через корректирующее устройство и интегратор с тактирующим входом подключен к одному из входов компаратора, выход которого подключен к счетному входу триггера, тактирующий вход которого соединен с выходом задающего генератора, а прямой выход триггера через драйвер подключен к затвору транзистора. Инверсный выход задающего генератора связан с тактирующим входом интегратора, где дополнительно введены датчик выпрямленного напряжения сети и второе корректирующее устройство, включенное между выходом первой схемы сравнения и входом компаратора. Вторая схема сравнения выполнена трехвходовой, к которым подключены выходы обоих датчиков напряжения, и источника задающего напряжения, выход через корректирующее устройство связан с входом интегратора и одним из входов первой схемы сравнения, а тактирующий вход интегратора соединен с выходом задающего генератора, причем к положительному выводу выпрямителя подключен сток транзистора, исток которого через дроссель и датчик тока соединен с его отрицательным выводом, а параллельно дросселю подключена цепь из последовательно соединенных конденсатора и отсекающего диода.
Отличительной особенностью такого преобразователя является устойчивость к коротким замыканиям нагрузки и высокий коэффициент мощности.
Недостатком его является низкая электромагнитная совместимость с питающей сетью из-за потребления из сети импульсного тока, фильтрация которого затруднена. К моменту включения транзистора, его емкость заряжена до уровня выходного напряжения и при включении транзистора эта емкость разряжается импульсным током в десятки раз превышающем номинальное значение тока стока. Кроме того, дополнительно в этот же момент транзистор нагружается еще и обратным током выключающегося диода по цепи: положительная обкладка конденсатора, диод, транзистор, отрицательная обкладка выходного конденсатора. Суммарное значение этого импульсного тока сопровождается выделением на кристалле транзистора мощности в десятки киловатт за доли микросекунды, что приводит к постепенной деградации кристалла и, как следствие, к сокращению срока службы преобразователя. Снижение динамических нагрузок на кристалл транзистора достигается включением в схему снабберных RC или RLC цепей, что приводит к снижению коэффициента полезного действия или использованием квазирезонансных схем.
Известен преобразователь [2], включающий силовой транзистор, входной выпрямитель с датчиками тока, положительный вывод выпрямителя связан с последовательно соединенными дросселем, отсекающим диодом и конденсатором выходного фильтра, параллельно которому подключен датчик выходного напряжения. Сток силового транзистора подключен к общей точке дросселя и отсекающего диода, а его исток связан с отрицательным выводом выпрямителя. Также в состав преобразователя входит схема управления с источником задающего напряжения, выход которого подключен к одному входу схемы сравнения, другой вход которой соединен с выходом датчика выходного напряжения, а выход схемы сравнения через корректирующее устройство подключен к входу интегратора с тактирующим входом и к одному из входов второй схемы сравнения напряжения корректирующего устройства с выходным сигналом датчика тока, выход которого вместе с выходом компаратора подключены к входам компаратора, а инверсный выход триггера связан с тактирующим входом интегратора.
Такой преобразователь позволяет сформировать синусоидальный ток, потребляемый из сети высокого качества в районе перехода напряжения сети через ноль.
Однако жесткая коммутация транзистора приводит к низкой электромагнитной совместимости преобразователя и с невозможностью ограничения тока в режимах перегрузок и коротких замыканий в нагрузке.
Известен преобразователь постоянного напряжения в постоянное повышающего типа [3], принятый за прототип, включающий дроссель, транзистор, диод, входной и выходной конденсаторы, выводы которых образуют входные и выходные выводы преобразователя соответственно. Отрицательные обкладки конденсаторов объединены и образуют общую шину преобразователя, к которой подключен исток транзистора, сток которого соединен с анодом диода и одним из выводов дросселя, другой вывод которого соединен с положительной обкладкой входного конденсатора, а катод диода подключен к положительной обкладке выходного конденсатора, и схему управления, выходом подключенную к затвору транзистора, а также содержащей второй дроссель, коммутирующий дроссель, второй диод и второй транзистор, исток которого подключен к общей шине преобразователя, а сток соединен с анодом второго диода и одним из выводов второго дросселя, другой вывод которого соединен с положительной обкладкой входного конденсатора, а катод диода подключен к положительной обкладке выходного конденсатора, причем стоки транзисторов соединены через коммутирующий дроссель, при этом схема управления имеет второй выход, подключенный к затвору второго транзистора.
Достоинством этого преобразователя и является мягкая коммутация транзисторов при неизменном входном напряжении и при номинальном токе нагрузки.
В целом, регулирование выходного напряжения и изменение тока нагрузки существенно затруднено, поскольку процесс изменения длительности выключенного состояния обоих транзисторов приводит к снижению тока в коммутирующем дросселе, а это сопровождается переходом к жесткой коммутации транзисторов и появлению неоправданно высокого значение динамических потерь.
Задачей изобретения, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание преобразователя электрической энергии постоянного напряжения в постоянное с обеспечением мягкого переключения транзисторов во всех режимах работы за счет схемы управления, при работе которой отсутствуют всплески выделяемой на кристалле транзистора «пиковой» мощности в моменты коммутаций.
Техническим результатом является повышение коэффициента полезного действия посредством уменьшения динамических потерь, а также повышение надежности, и, как следствие, увеличение срока службы преобразователя.
Поставленная задача достигается тем, что в преобразователь электрической энергии постоянного напряжения в постоянное содержащий два транзистора (1, 2), со схемой управления (3) и двумя драйверами (4, 5), входы которых подключены к выходам схемы управления, а выходы - к затворам транзисторов, два диода (6, 7), входной и выходной конденсаторы (8, 9), положительные выводы которых образуют входные и выходные выводы преобразователя напряжения, три дросселя (10, 11, 12), соединенные в треугольник, одна вершина которого подключена к входному выводу, а две другие вершины соединены с выходным выводом преобразователя через диоды, к этим вершинам также подключены стоки транзисторов, истоки которых объединены и подключены к отрицательным выводам конденсаторов, образующим общую шину преобразователя напряжения, отличающийся тем, что схема управления выполнена двухконтурной и снабжена преобразователем сигнала ошибки в две противотактные импульсные последовательности с частотно-импульсной модуляцией (13), а в преобразователь напряжения введены датчики входного тока (14), выходного напряжения (15) и датчики токов (16, 17) диодов, включенные последовательно с ними, причем контур стабилизации напряжения и подчиненный ему контур стабилизации входного тока образованы источником опорного напряжения (18), двумя сравнивающими устройствами (19, 20) и двумя корректирующими устройствами (21, 22), при этом входы одного сравнивающего устройства подключены к выходам датчика выходного напряжения и источника опорного напряжения, а выход через корректирующее устройство соединен с одним из входов второго сравнивающего устройства, другой вход которого подключен к выходу датчика входного тока, а его выход образует вход преобразователя сигнала ошибки в две противотактные импульсные последовательности, который включает в себя два генератора развертывающих напряжений (23, 24), трехвходовой частотно-импульсный модулятор с управляющим и двумя тактирующими входами (25) и два двухвходовых компаратора 26, 27, выходы которых образуют выходы схемы управления, одни из входов объединены и подключены к выходу второго сравнивающего устройства, а другие входы подключены к выходам соответствующих генераторов развертывающих напряжений, входные выводы которых объединены и соединены с выходом частотно-импульсного модулятора, управляющий вход которого связан с выходом первого корректирующего устройства, а тактирующие входы подключены к выходам датчиков тока диодов.
На фиг. 1 приведена схема преобразователя напряжения, а на фиг. 2, приведены временные диаграммы, поясняющие принцип работы схемы.
Преобразователь напряжения содержит два транзистора 1, 2 со схемой управления 3 и двумя драйверами 4, 5, входы которых подключены к выходам схемы управления, а выходы - к затворам транзисторов, два диода 6, 7, входной и выходной конденсаторы 8,9, положительные выводы которых образуют входные и выходные выводы преобразователя напряжения, три дросселя 10, 11, 12, соединенные в треугольник, одна вершина которого подключена к входному выводу, а две другие вершины соединены с выходным выводом преобразователя через диоды, к этим вершинам также подключены стоки транзисторов, истоки которых объединены и подключены к отрицательным выводам конденсаторов, образующим общую шину преобразователя напряжения. Схема управления выполнена двухконтурной и снабжена преобразователем сигнала ошибки в две противотактные импульсные последовательности с частотно-импульсной модуляцией 1), а в преобразователь напряжения введены датчики входного тока 14, выходного напряжения 15 и датчики токов 16, 17 диодов, включенные последовательно с ними, причем контур стабилизации напряжения и подчиненный ему контур стабилизации входного тока образованы источником опорного напряжения 18, двумя сравнивающими устройствами 19, 20 и двумя корректирующими устройствами 21, 22, при этом входы одного сравнивающего устройства подключены к выходам датчика выходного напряжения и источника опорного напряжения, а выход через корректирующее устройство соединен с одним из входов второго сравнивающего устройства, другой вход которого подключен к выходу датчика входного тока, а его выход образует вход преобразователя сигнала ошибки в две противотактные импульсные последовательности, который включает в себя два генератора развертывающих напряжений 23, 24, трехвходовой частотно-импульсный модулятор с управляющим и двумя тактирующими входами 25 и два двухвходовых компаратора 26, 27, выходы которых образуют выходы схемы управления, одни из входов объединены и подключены к выходу второго сравнивающего устройства, а другие входы подключены к выходам соответствующих генераторов развертывающих напряжений, входные выводы которых объединены и соединены с выходом частотно-импульсного модулятора, управляющий вход которого связан с выходом первого корректирующего устройства, а тактирующие входы подключены к выходам датчиков тока диодов.
На фиг. 2 приняты следующие обозначения: 28 - напряжение управления транзистором 2; 29 - напряжение управления транзистором 1; 30, 31 - напряжения на выходах генераторов развертывающих напряжений; 32, 33 - токи дросселей 11 и 10 соответственно; 34 - ток, потребляемый от источника питания; 35 - ток коммутирующего дросселя 12; 36 и 37 потенциал и ток стока транзистора 1 соответственно; 38 и 39 -ток стока и потенциал транзистора 2 соответственно.
Преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение работает следующим образом.
1
2
3
5
В установившемся режиме работы преобразователя в момент времени t выключается транзистор 1 и в момент времени t включается транзистор 2 по сигналам схемы управления 3 под действием выходных напряжений 28, 29 драйверов 4 и 5 соответственно. После выключения транзистора 1 полярность напряжения на дросселе 10 изменяется на противоположную, открывается диод 6 и накопленная энергия передается в конденсатор 9 фильтра и нагрузку. Ток 32 дросселя 11 начинает нарастать, а ток 33 дросселя 10 спадает. В следующем интервале времени t-t выключается транзистор 2 и через открывшийся диод 7 накопленная на предыдущем интервале времени энергия дросселя 11 отдается в конденсатор и нагрузку, а транзистор 1 включается и дроссель 10 переходит в режим накопления энергии. Суммарный ток дросселей 10, 11 представляет собой потребляемый от источника питания ток 34, пульсации которого в несколько раз ниже пульсаций токов 32, 33 дросселей. Аналогично суммируются токи диодов 6 и 7 и определяют частоту и величину пульсаций тока нагрузки и тока конденсатора 9 фильтра.
3
4
В интервале времени t-t оба транзистора выключены, питание нагрузки обеспечивается энергией конденсатора 9 фильтра.
Процессы мягкого включения транзисторов обеспечиваются током перезаряда 35 коммутирующего дросселя 12 и протекают следующим образом. К концу интервала выключенного состояния, например, транзистора 1, ток 33 дросселя 10 снижается, а ток 35 коммутирующего дросселя 12 возрастает и, когда эти токи сравняются, запирается диод 6 и ток 33 коммутирующего дросселя 12 продолжает протекать теперь уже через открытый транзистор 2, паразитную емкость транзистора 1, снижая потенциал стока до нулевого значения и далее до напряжения отпирания встроенного в транзистор обратного диода. При включении транзистора 1 обратный ток через встроенный диод будет протекать до тех пор, пока ток 35 коммутирующего дросселя 12, снижаясь, вновь не сравняется с током 33 дросселя 10. В противотактном транзисторе 2 процессы включения протекают аналогично рассмотренным.
Таким образом, к моменту включения транзисторов 2 и 1 потенциалы 36 и 38 стока этих транзисторов спадают до нуля и через обратные встроенные диоды еще протекает отрицательный ток в направлении исток-сток, что приводит к тому, что в момент включения рассеиваемая на кристалле транзистора мощность равна нулю. В момент выключения транзисторов в предлагаемом преобразователе и в схеме прототипа динамическая мощность на транзисторах сравнима по порядку и находится на уровне статической рассеиваемой мощности.
Схема управления работает следующим образом. Уровень выходного напряжения преобразователя задается источником опорного напряжения !*, который сравнивается с напряжением датчика 15, скорректированный сигнал ошибки регулирования на выходе корректирующего устройства 22 является заданием на величину входного тока преобразователя напряжения. Это напряжение сравнивается с выходным напряжением датчика входного тока 14 и скорректированный сигнал ошибки по току на выходе корректирующего устройства 21 поступает на управляющий вход частотно-импульсного модулятора 25 и одновременно на объединенные входы компараторов 26, 27, определяя тем самым длительность выходных импульсов компараторов 26, 27. На выходе частотно-импульсного модулятора действует импульсное напряжение определяющее частоту следования импульсов 30, 31 генераторов 23, 24 развертывающих напряжений, а длительность этих импульсов определяет длительность «мертвого» времени закрытого состояния обоих транзисторов 1, 2. При увеличении тока нагрузки или при снижении входного напряжения возрастет сигнал ошибки по напряжению, что приведет к снижению времени проводящего состояния диодов 6, 7 увеличению задания на входной ток Из вышесказанного следует достижение указанного в описании технического результата.
Благодаря заявленным преимуществам предлагаемый преобразователь характеризуется на один-два порядка меньшими динамическими потерями в момент включения транзисторов.
Таким образом, предлагаемый преобразователь напряжения обеспечивает повышение коэффициента полезного действия путем уменьшения динамических потерь при переключении транзисторов, что улучшает надежность и срок службы преобразователя напряжения.
Список литературы
1. Пат. РФ №92261. МПК H02M 9/06. Преобразователь однофазного переменного напряжения в постоянное с корректором коэффициента мощности / К.В. Бородин, С.Г. Михальченко (Государственное образовательное учреждение ТУ СУР). Опубл.: 10.03.2010. Бюл. №7.
2. Smith, M. PWM Controller with Jne-Cycle Response / M. Smith, K. Smedley // US Patent 6,084,450
3. Пат. РФ №113617. МПК H02M 3/335. Преобразователь напряжения / Г.Я. Михальченко и др. (ООО «Компания промышленная электроника»). Опубл.: 20.02.2012. Бюл. №5.