ДВУНАПРАВЛЕННЫЙ ПОНИЖАЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
BIDIRECTIONAL STEP-DOWN DC VOLTAGE CONVERTER

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, а именно к области полупроводниковой преобразовательной техники (силовой электроники), и может быть использовано в качестве высоковольтного двунаправленного понижающего dc-dc конвертора средней мощности в системах электрооборудования постоянного тока, например, для электровозов постоянного тока напряжением 3(1.5) кВ для питания от контактной сети с повышенным напряжением (12(6) кВ, 18(9) кВ и т.д.).
Известен двунаправленный понижающий преобразователь постоянного напряжения, содержащий фильтровые полярные конденсаторы, электрический накопительный реактор и два ключа, образованных путем последовательно-параллельного включения нескольких вентилей, каждый из которых образован встречно-параллельным соединением вентиля с полным управлением и диода (F. Zhang, L. Du, F.Z. Peng, Z. Qian. A New Design Method for High-Power High-Efficiency Switched-Capacitor DC-DC Converters. // IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.23, No. 2, March 2008, pp.832-840, см. с.834, Fig. 6).
Однако указанный двунаправленный преобразователь имеет значительные потери мощности в накопительном реакторе, который к тому же ухудшает массогабаритные показатели устройства.
Кроме того, известен двунаправленный понижающий преобразователь постоянного напряжения (там же, см. с.835, Fig. 7, и G. Gateau, M. Fadel, P. Maussion, R. Bensaid, T.A. Meynard. Multicell Converters: Active Control and Observation of Flying-Capacitor Voltages. // IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol.49, No. 5, October 2002, pp.998-1008, см. с.999, Fig. 1, где К есть отношение величины высокого напряжения к амплитуде импульсов низкого напряжения, здесь К=3), взятый за прототип, содержащий конденсаторы и два модуля, каждый из которых состоит из последовательно соединенных ключей, каждый из которых, в свою очередь, образован встречно-параллельным соединением вентиля с полным управлением и диода, причем первый оконечный вывод первого модуля соответствует катоду диода ключа, а первый оконечный вывод второго модуля соответствует аноду диода ключа, при этом количество последовательно соединенных ключей в каждом из модулей К, указанные ключи в модулях соединены разноименными выводами, количество конденсаторов К-1, выводы каждого из них подсоединены к точкам соединения выводов ключей различных модулей, имеющим одинаковые номера n при отсчете от зажимов низкого напряжения, где n - целые положительные числа натурального ряда 1, 2, 3, 4,…, K-1, положительный вывод высокого напряжения подсоединен к первому оконечному выводу первого модуля, отрицательные выводы высокого и низкого напряжения подсоединены к первому оконечному выводу второго модуля, положительный вывод низкого напряжения подсоединен к точке соединения вторых оконечных выводов первого и второго модулей.
Однако этот двунаправленный понижающий преобразователь постоянного напряжения требует использования K-2 конденсаторов с предельными значениями напряжения, превышающими амплитуду импульсов напряжения на выводах низкого напряжения преобразователя, что приводит к повышенным потерям активной мощности в конденсаторах.
Задачей предлагаемого изобретения является создание двунаправленного понижающего преобразователя постоянного напряжения с уменьшенными потерями активной мощности в конденсаторах.
Это достигается тем, что в двунаправленный понижающий преобразователь постоянного напряжения, содержащий конденсаторы и два модуля, каждый из которых состоит из последовательно соединенных ключей, каждый из которых, в свою очередь, образован встречно-параллельным соединением вентиля с полным управлением и диода, причем первый оконечный вывод первого модуля соответствует катоду диода ключа, а первый оконечный вывод второго модуля соответствует аноду диода ключа, дополнительно введены один конденсатор, три аналогичных ключа и K-2 дополнительных модуля, каждый из которых состоит из трех последовательно соединенных разноименными выводами аналогичных ключей, где K - четное число, большее двух, есть отношение величины высокого напряжения к амплитуде импульсов низкого напряжения, причем указанные ключи в первом и втором модулях соединены одноименными выводами, а срединные точки этих модулей служат выводами низкого напряжения, два из дополнительных аналогичных ключей подсоединены по одному между первыми точками соединения ключей первого и второго модулей, отсчитываемыми от выводов низкого напряжения влево и вправо, катодами диодов к точкам соединения анодов диодов первого модуля, а анодами диодов к точкам соединения катодов диодов второго модуля, дополнительные модули каскадно подсоединены к первому и второму модулям симметрично относительно них слева и справа, а именно к первым оконечным выводам первого и второго модулей подсоединены соответственно первый и второй выводы первого из K/2-1 подсоединенных к указанным первым оконечным выводам дополнительных модулей, а первый и второй выводы каждого из последующих аналогичных модулей подсоединены соответственно к третьему и четвертому выводам предыдущего модуля, где первый вывод каждого из дополнительных модулей соответствует выводу катода диода первого из последовательно соединенных ключей, второй вывод соответствует точке соединения анода диода второго ключа и катода диода третьего ключа, третий вывод - точке соединения анода диода первого ключа и катода диода второго ключа, а четвертый - выводу анода диода третьего ключа, ко вторым оконечным выводам первого и второго модулей подсоединены соответственно третий и четвертый выводы первого из K/2-1 подсоединенных к указанным вторым оконечным выводам дополнительных модулей, а третий и четвертый выводы каждого из последующих аналогичных модулей подсоединены соответственно к первым и вторым выводам предыдущего модуля, К конденсаторов по одному подсоединены между точками соединения соответствующих оконечных выводов первого и второго модулей с дополнительными модулями, между точками соединения соседних дополнительных модулей и между третьим и четвертым, и между первым и вторым оконечными выводами последних из подсоединенных дополнительных модулей соответственно, а положительный и отрицательный выводы высокого напряжения подсоединены к первому выводу последнего из дополнительных модулей, подсоединенных ко вторым оконечным выводам первого и второго модулей, и к четвертому выводу последнего из дополнительных модулей, подсоединенных к первым оконечным выводам первого и второго модулей, причем один из двух выводов высокого напряжения, либо положительный, либо отрицательный, подсоединен к указанному соответствующему выводу дополнительного модуля непосредственно, а второй - через третий дополнительный аналогичный ключ, подсоединенный либо катодом диода к положительному выводу высокого напряжения, либо анодом диода к отрицательному выводу высокого напряжения, при этом первый и второй модули содержат каждый по четыре ключа.
На фиг.1 представлена схема предлагаемого двунаправленного понижающего преобразователя постоянного напряжения для варианта с отношением величины высокого напряжения к амплитуде импульсов низкого напряжения, равным K, на фиг.2 показана эта же схема для иллюстрации возможности увеличения отношения величины высокого напряжения и амплитуды импульсов низкого напряжения K, на фиг.3 и фиг.4 представлены схемы предлагаемого двунаправленного понижающего преобразователя постоянного напряжения, выполненного по схеме фиг.1 соответственно при K=4 и K=6, на фиг.5 - временные диаграммы напряжений и токов, поясняющие принцип работы предлагаемого двунаправленного понижающего преобразователя постоянного напряжения, выполненного по схеме фиг.4.
Предлагаемый двунаправленный понижающий преобразователь постоянного напряжения (фиг.1) содержит два ключевых модуля (М) 1, 2, каждый из которых состоит из четырех последовательно соединенных одноименными выводами ключей, образованных встречно-параллельным соединением вентиля с полным управлением 3, например транзистора, и диода 4. Указанные модули образованы таким образом, что первый оконечный вывод модуля 1 соответствует катоду диода ключа, первый оконечный вывод модуля 2 - аноду диода ключа, а срединные точки двух указанных модулей служат выводами низкого напряжения. Кроме того, данный двунаправленный понижающий преобразователь постоянного напряжения содержит три аналогичных ключа, 2·(К/2-1)=К-2 дополнительных модуля 5, каждый из которых состоит из трех последовательно соединенных разноименными выводами аналогичных ключей, а также K конденсаторов 6, где K - четное число, большее двух, равное отношению величины высокого напряжения к амплитуде импульсов низкого напряжения. Первый вывод каждого из дополнительных модулей 5 соответствует выводу катода диода 4 первого из последовательно соединенных ключей, второй вывод соответствует точке соединения анода диода 4 второго ключа и катода диода 4 третьего ключа, третий вывод - точке соединения анода диода 4 первого ключа и катода диода 4 второго ключа, а четвертый - выводу анода диода 4 третьего ключа. К первым оконечным выводам модулей 1 и 2 подсоединены соответственно первый и второй выводы первого из K/2-1 подсоединенных дополнительных модулей 5, а первый и второй выводы каждого из последующих аналогичных модулей 5 подсоединены соответственно к третьему и четвертому выводам предыдущего модуля 5, ко вторым оконечным выводам модулей 1 и 2 подсоединены соответственно третий и четвертый выводы первого из K/2-1 подсоединенных дополнительных модулей 5, а третий и четвертый выводы каждого из последующих аналогичных модулей 5 подсоединены соответственно к первым и вторым выводам предыдущего модуля 5. Таким образом, K-2 дополнительных модуля 5 каскадно подсоединены к модулям 1 и 2 слева и справа. Конденсаторы 6 подсоединены между точками соединения соседних дополнительных модулей 5, между точками соединения модулей 1 и 2 с модулями 5, а также между не являющимися смежными выводами последних модулей 5, т.е. между выводами 3 и 4 последнего левого модуля 5 и между выводами 1 и 2 последнего правого модуля 5. Каждый из первых двух дополнительных аналогичных ключей подсоединен между первыми точками соединения ключей модулей 1 и 2, отсчитываемыми от срединных точек этих модулей, т.е. от выводов низкого напряжения соответственно влево и вправо, катодом диода 4 - к точке соединения анодов диодов 4 модуля 1, а анодом диода 4 - к точке соединения катодов диодов 4 модуля 2. Положительный и отрицательный выводы высокого напряжения предлагаемого двунаправленного понижающего преобразователя постоянного напряжения подсоединены к первому выводу последнего из модулей 5, каскадно подсоединенных ко вторым оконечным выводам модулей 1 и 2, и к четвертому выводу последнего из модулей 5, каскадно подсоединенных к первым оконечным выводам модулей 1 и 2, причем один из двух выводов высокого напряжения, либо положительный, либо отрицательный, подсоединен к указанному соответствующему выводу дополнительного модуля 5 непосредственно, а второй -через третий дополнительный аналогичный ключ, подсоединенный либо катодом диода 4 к положительному выводу высокого напряжения, как это показано на фиг.1, либо анодом диода 4 к отрицательному выводу высокого напряжения.
Предлагаемый двунаправленный понижающий преобразователь постоянного напряжения может быть представлен состоящим из элементарных ячеек (Я) 7, 8 и 9 различных видов, как это показано на фиг.2. Ячейка 7 является базовой, она содержит выводы для подключения цепи низкого напряжения и состоит из модулей 1 и 2 и подсоединенных соответственно к их первым и вторым оконечным выводам двух конденсаторов 6, а также двух ключей, подсоединенных к модулям 1 и 2 указанным выше способом. Ячейки 8 и 9 образуются из модуля 5 подсоединением конденсатора 6 соответственно к его третьему и четвертому и к первому и второму выводам. Увеличение на два отношения величины высокого напряжения к амплитуде импульсов низкого напряжения К достигается увеличением на единицу числа ячеек вида 8 слева и числа ячеек вида 9 справа от ячейки 7, к которой они подключаются каскадно.
На фиг.3 показана минимальная конфигурация предлагаемого двунаправленного понижающего преобразователя постоянного напряжения (одна ячейка 8 слева и одна ячейка 9 справа от ячейки 7), соответствующая K=4, а на фиг.4 - схема с увеличенным на единицу количеством ячеек 8 и 9, соответствующая K=6.
high
high
low
lowmax
high
low
Предлагаемый двунаправленный понижающий преобразователь постоянного напряжения для случая К больше двух, где K - четное число (фиг.1, фиг.2), работает следующим образом. Конденсаторы 6 одинаковой емкости используются при одной полярности напряжения. На интервале заряда все K конденсаторов 6 через соответствующие открытые ключи ячеек 7, 8 и 9 подсоединяются последовательно и подключаются к выводам высокого напряжения с напряжением U, таким образом каждый из них заряжается до напряжения U/K, при этом выводы низкого напряжения соединяются накоротко при участии примыкающих к ним открытых ключей ячейки 7, формируя нулевую паузу. На интервале разряда все или часть конденсаторов 6 через соответствующие открытые ключи ячеек 7, 8 и 9 подсоединяются параллельно и подключаются к выводам низкого напряжения, формируя на них напряжение u с амплитудой импульса U=U/K. Плавное регулирование среднего значения выходного низкого напряжения U, питающего, например, тяговый двигатель, может осуществляться, например, широтно-импульсным методом.
low
На фиг.5 для одного из вариантов алгоритма управления показаны сигналы управления и временная диаграмма выходного низкого напряжения u предлагаемого двунаправленного понижающего преобразователя постоянного напряжения, выполненного по схеме фиг.4 для К=6, при этом использованы следующие обозначения:
ssaw - пилообразный опорный сигнал;
sref - сигнал, задающий коэффициент заполнения импульсов низкого напряжения;
sh1, …, sh4 и s1h, …, s4h - сигналы управления отсчитываемых соответственно вправо и влево от срединной точки модуля ключей модуля 1 и далее продолжающих модуль 1 первых (верхних) ключей дополнительных модулей 5, подсоединенных соответственно справа и слева от модуля 1;
sl1, …, sl4 и sl1, …, s41 - сигналы управления отсчитываемых соответственно вправо и влево от срединной точки модуля ключей модуля 2 и далее продолжающих модуль 2 третьих (нижних) ключей дополнительных модулей 5, подсоединенных соответственно справа и слева от модуля 2;
sp1, …, sp3 и s1p, …, s3p - сигналы управления отсчитываемых соответственно вправо и влево от выводов низкого напряжения дополнительного ключа ячейки 7 и далее вторых (средних) ключей дополнительных модулей 9 и 8, подсоединенных соответственно справа и слева от ячейки 7;
ss - сигнал управления дополнительного ключа, подсоединенного последовательно с цепью высокого напряжения, а именно непосредственно подсоединенного к одному из выводов высокого напряжения;
low
low
high
lowmax
lowmax
high
lowmax
lowmax
lowmax
Тс - период импульсов управления, Тс/2 - период пилообразного опорного сигнала ssaw и период последовательности импульсов выходного низкого напряжения u. Интервал заряда соответствует условию ssaw>sref, в противном случае к выводам низкого напряжения через соответствующие открытые ключи параллельно подсоединяются предварительно заряженные конденсаторы 6. При принятом варианте алгоритма управления на нечетном и четном тактах формирования импульсов выходного низкого напряжения u они образуются путем подключения конденсаторов 6, расположенных соответственно справа и слева от выводов низкого напряжения. Не используемые на такте K/2 конденсаторы 6, будучи подсоединенными последовательно друг к другу и к источнику питания, выполняют роль балласта, позволяя уменьшить наибольшее значение напряжения, прикладываемого к закрытому дополнительному ключу, подсоединенному последовательно с цепью высокого напряжения, с величины U - U=(K-1)·U до величины U/2-U=(K/2-1)·U. Напряжения на каждом из остальных ключей и на каждом из конденсаторов 6 не превышают U.
low
low
high
Рекуперация электрической энергии имеет место в режиме генераторного торможения, когда ЭДС тяговой машины, подключенной последовательно со сглаживающим реактором к выводам низкого напряжения, оказывается больше среднего значения напряжения последовательности импульсов конвертора U. Ток в цепи машины во время действия импульса спадает, заряжая конденсаторы 6 конвертора, включенные параллельно. Во время нулевой паузы последовательности импульсов u ток машины нарастает, накапливая энергию в индуктивности сглаживающего реактора. Конденсаторы 6 при этом включаются последовательно и, имея результирующее напряжение больше напряжения контактной сети U на выводах высокого напряжения, разряжаются на сеть, возвращая в нее энергию.
Таким образом, предлагаемый двунаправленный понижающий преобразователь постоянного напряжения по сравнению с прототипом имеет меньшие потери активной мощности в конденсаторах, т.к. использует конденсаторы с предельными значениями напряжения, не превышающими амплитуду импульсов напряжения на выводах низкого напряжения преобразователя.