Преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение
CONSTANT VOLTAGE TO CONSTANT VOLTAGE CONVERTER

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам преобразовательной техники, обладающим свойствами естественного ограничения тока.
Преобразователи постоянного напряжения в постоянное напряжение могут быть использованы в качестве устройств с гальванической развязкой для питания нагрузки постоянным напряжением при реализации распределенных систем питания, электрохимических и плазменных технологий, в сварочных аппаратах постоянного тока и др. В предложенном варианте эффект ограничения тока достигается за счет согласования алгоритма переключения транзисторов инвертора с интервалами проводимости диодов выходного выпрямителя. Питание нагрузки осуществляется энергией, накопленной в индуктивности обмоток трансформатора на интервале, когда инвертор отключен от напряжения источника питания. Это придает преобразователю естественные свойства токоограничения в широком диапазоне изменения нагрузки. Это может быть использовано тогда, когда требуется одновременно повысить срок службы и энергетическую эффективность преобразователей. Наиболее востребованными, в настоящее время, являются преобразователи, в которых одним из рабочих режимов является режим короткого замыкания нагрузки.
Известен преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение, включающий мостовой инвертор на транзисторах, одна диагональ которого образует входные выводы преобразователя, вторая диагональ подключена к первичной обмотке трансформатора, а вторичная обмотка выполнена со средней точкой и через диоды однополупериодного выпрямителя соединена с выходным фильтром и схему управления с задающим генератором и фазосдвигающим устройством, противотактные выходы которых подключены к управляющим выводам транзисторов инверторных стоек, [1, 2]. Положительным в [1, 2] является снижение динамических потерь за счет обеспечения режимов мягкой коммутации транзисторов инвертора.
Однако силовой трансформатор такого преобразователя находится в тяжелых условиях одностороннего насыщения при нарушении симметрии импульсов управления транзисторов, как в статических, так и в динамических режимах функционирования, при высокой скорости изменения управляющих сигналов. Одностороннее насыщение приводит к периодическим перегрузкам силовых транзисторов инвертора и выходу их из строя.
Наиболее близким по технической сущности является преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение, включающий инвертор, выполненный по схеме разомкнутого моста на транзисторах, одна транзисторная стойка которого образует входные выводы преобразователя, к второй транзисторной стойке подключен накопительный конденсатор, при этом к диагонали инверторных стоек подключена первичная обмотка трансформатора, а вторичная обмотка выполнена со средней точкой и через диоды однополупериодного выпрямителя соединена с выходным фильтром и схему управления с задающим генератором и фазосдвигающим устройством, противотактные выходы которого подключены к управляющим выводам транзисторов инверторных стоек [3, 4].
При питании преобразователя стабилизированным напряжением, например, с выхода корректора коэффициента мощности и при изменении нагрузки в ограниченном диапазоне, в таком преобразователе исключается одностороннее насыщение силового трансформатора и он приобретает свойства естественного ограничения тока, что позволяет повысить его надежность. К недостаткам этого преобразователя относится неравенство входного напряжения и напряжения на накопительном конденсаторе при изменении величины входного напряжения питания и тока нагрузки. При увеличении этого неравенства искажается форма тока в транзисторах и обмотках трансформатора за счет неравенства вольт-секундных площадей положительной и отрицательной полуволн напряжения трансформатора. Следствием этого является повышенные пульсации выходного тока и напряжения и жесткая коммутация транзисторов в инверторных стойках, что сопровождается ростом динамических потерь, деградацией кристаллов полупроводниковых приборов и снижением срока службы.
Техническо-экономический эффект, достигаемый предлагаемым преобразователем постоянного напряжения в постоянное напряжение, в придании свойств естественного ограничения тока нагрузки при изменении сопротивления нагрузки от номинального значения до короткого замыкания. В предложенном варианте эффект ограничения тока достигается за счет согласования алгоритма переключения транзисторов инвертора и алгоритма проводимости диодов выходного выпрямителя. Построение силовой цепи и схемы управления преобразователем позволяет поддерживать равенство вольт-секундных площадей положительной и отрицательной полуволн напряжения трансформатора в широком диапазоне изменения питающего напряжения и тока нагрузки от холостого хода до короткого замыкания, что придает преобразователю свойства естественного ограничения тока. Кроме того, мягкий режим работы транзисторов преобразователя обеспечивается во всем диапазоне изменения питающего напряжения и тока нагрузки, а равенство ампер-секундных площадей токов обмоток трансформатора гарантирует постоянство пульсаций выходного напряжения на выходе преобразователя пленочными или керамическими конденсаторами небольшой емкости, что так же обеспечивает повышение надежности.
На фиг. 1 приведена блок-схема силовой цепи преобразователя однофазного переменного напряжения в постоянное напряжение. На фиг. 2 представлены временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя.
На фиг. 1 приняты обозначения: 1 - мостовой инвертор; 2, 3, 4, 5 - транзисторы инвертора; 6 - трансформатор; 7 - выходной выпрямитель; 8 - выходной фильтр; 9 - схема управления; 10 - задающий генератор; 11 - фазосдвигающее устройство; 12, 13 - положительный и отрицательный входные выводы преобразователя; 14 - первичная обмотка трансформатора; 15, 16 - вторичная обмотка трансформатора со средней точкой; 17, 18 - диоды однополупериодного выпрямителя; 19 - положительный вывод выпрямителя; 20 - отрицательный вывод выпрямителя; 21 конденсатор выходного фильтра; 22, 23 - формирователи мертвого времени; 24 - сопротивление нагрузки.
На фиг. 2 приняты следующие обозначения: 25, 26 и 27, 28 - противотактные управляющие сигналы на затворах транзисторов 3,2 и 5,4 соответственно; 29, 30 - напряжение и ток в первичной обмотке 14 трансформатора 6; 31, 33 - токи в транзисторах 3 и 2 регулируемой по сдвигу фазы инверторной стойки; 32, 34 - токи в транзисторах 4 и 5 нерегулируемой по фазе инверторной стойки; 35, 36 - токи диодов 18, 17 однополупериодного выпрямителя соответственно.
Преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение, включающий последовательно соединенные мостовой инвертор 1 на транзисторах 2, 3, 4, 5, трансформатор 6, однополупериодный выпрямитель 7, выходной фильтр 8 и схему управления 9 с задающим генератором 10 и фазосдвигающим устройством 11, отличающийся тем, что одна диагональ инвертора образует входные выводы 12, 13 преобразователя, вторая диагональ подключена к первичной обмотке 14 трансформатора 6, а вторичная обмотка 15, 16 выполнена со средней точкой и через диоды 17, 18 однополупериодного выпрямителя 7 соединена с выходным фильтром, при этом средняя точка вторичной обмотки трансформатора образует положительный вывод 19 выпрямителя, отрицательный вывод 20 которого образован объединенными анодами диодов 17, 18 однополупериодного выпрямителя 7, катоды диодов которого соединены с началом и концом вторичной обмотки 15 и 16 трансформатора 6 соответственно, причем между выходными выводами 19, 20 преобразователя включен конденсатор 21 выходного фильтра 8, при этом задающий генератор 10 и фазосдвигающее устройство 11 снабжены формирователями мертвого времени 22 и 23, противотактные выходы которых подключены к управляющим выводам соответствующих транзисторов 2, 3 и 4, 5 инвертора 1.
1
1
5
1
2
2
2
5
2
3
2
3
3
4
5
4
5
6
5
6
6
7
9
Работает преобразователь следующим образом. В момент времени t во включенном состоянии находятся транзисторы 3 и 4, к концу обмотки 14 приложен отрицательный потенциал водного напряжения, а к началу - положительный. Под действием напряжения 29 в обмотке 14 протекает нарастающий ток 30. В интервале времени t-t во вторичной обмотке 15, 16 трансформатора действует напряжение равное разности напряжений полуобмотки 16 и напряжения на конденсаторе 21, поэтому в проводящем состоянии находится диод 18, ток которого отличается от тока 30 в коэффициент трансформации раз. На интервале времени t-t скорость нарастания тока ограничивается индуктивностью рассеяния первичной обмотки 14 трансформатора 6. В момент времени t по сигналу управления 25 выключается транзистор 3, напряжение 29 становится равным нулю, а ток первичной обмотки продолжает протекать по транзистору 4 и обратному диоду транзистора 2. Инвертор 1 отключается от источника питания на длительность интервала времени - t-t, а снижение тока в интервале времени t-t определяется постоянной времени контура короткозамкнутого: первичная обмотка 14 трансформатора - обратный диод транзистора 2 - транзистор 4. Одновременно, в интервале времени t-t происходит перераспределение потенциалов между паразитными емкостями транзисторов 2 и 3, так, что к моменту времени t напряжение на транзисторе 2 становится равным нулю, а на транзисторе 3 - входному напряжению, и транзистор 2 мягко включается по сигналу управления 26. Теперь ток короткозамкнутого контура распределяется между каналом транзистора 2 и его обратным диодом. В момент времени t, по сигналу управления 27 выключается транзистор 4, полуволна напряжения 29 на первичной обмотке трансформатора становится положительной, а ток 30 первичной обмотки 14 трансформатора протекает в прежнем направлении до момента времени t по контуру: первичная обмотка 14 трансформатора - обратный диод транзистора 2 - источник входного напряжения - обратный диод транзистора 5, реализуя, тем самым, режим рекуперации накопленной в индуктивности рассеяния обмотки трансформатора энергии. При этом к моменту времени t происходит перераспределение потенциалов между паразитными емкостями транзисторов 4 и 5, подготавливая мягкое включение транзистора 5. В момент времени t ток 30 становится равным нулю, обратный диод транзистора 5 выключается и ток 30 начинает нарастать до момента времени t в обратном направлении под действием напряжения входного источника. В момент времени t также выключается диод 18 и включается диод 17 однополупериодного выпрямителя. В момент времени t транзистор 2 выключается, образуется короткозамкнутый контур: обмотка 14 трансформатора - транзистор 5 - обратный диод транзистора 3, напряжение 29 становится равным нулю. В интервале времени t-t подготавливаются условия мягкого включения транзистора 3. Далее процессы повторяются в отрицательной полуплоскости тока 30 до момента времени t. Выходной ток выпрямителя 35.36 питает нагрузку и заряжает конденсатор 21 выходного фильтра. Напряжение конденсатора 36 приложено к сопротивлению нагрузки 24 и обеспечивает необходимый уровень пульсаций тока нагрузки.
Таким образом, предложенный преобразователь постоянного напряжения в постоянное позволяет повысить его надежность за счет придания ему естественных свойств ограничения тока нагрузки при изменении сопротивления нагрузки от номинального значения до короткого замыкания. Повышение срока службы преобразователя достигается еще и за счет обеспечения условий мягкой коммутации транзисторов во всем диапазоне изменения питающего напряжения и сопротивления нагрузки.
1. Z. Zhang and М.А.Е. Andersen. Interleaved boost-half-bridge dual-input DC-DC converter with a PWM plus phase-shift control for fuel cell applications. // IECON-2013-39th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. - 2013, pp. 1679-1684.
2. Dudrik, J.,  P., Trip, N.-D.: Zero Voltage and Zero Current Switching Full-Bridge DC-DC Converter with Auxiliary Transformer. IEEE Trans, on Power Electronics, Vol. 21, No. 5, 2006, pp. 1328-1335.
3. Белотуров В., Иванов Д., Кривченко И. Распределенные системы электропитания на базе модулей IBC компании Vicor // Компоненты и технологии. 2012. No 8.
4. Patrizio Vinciarelli, "Double-clamped ZVS buck-boost power converter," U.S. Patent 7,561,446, issued on July 14, 2009.