ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и может найти применение в системах вторичного электропитания, регуляторах напряжения, тока, мощности, а также в многоячейковых структурах всевозможных преобразователей со звеном повышенной частоты.

Известны высокочастотные квазирезонансные преобразователи, в которых содержится резонансный ключ, выполненный на транзисторе и индуктивно-емкостной цепочке, включенной в силовую цепь.

На фронтах переключения транзисторных ключей формируется синусоидальная форма напряжения или тока, при этом соответственно ток или напряжение имеют квазипрямоугольную форму, за счет чего резко понижаются динамические потери и появляется возможность увеличить частоту преобразования.

К числу недостатков этих преобразователей можно отнести следующее: ограниченный диапазон регулирования вследствие использования частотной модуляции: необходимо контролировать нулевое значение тока или напряжения на ключе для того, чтобы в этот момент его включить или выключить; дополнительно включаются два силовых элемента - индуктивность и емкость резонансного контура, которые рассчитываются на номинальный ток, что усложняет преобразователь; необходимо высококачественное выполнение индуктивности и емкости, т.е. с минимальными паразитными параметрами, увеличена габаритная мощность ключа.

Известен преобразователь напряжения, в котором три обмотки трансформатора соединены встречно-последовательно между собой и через рекуперационные диоды - с источником питания. Средняя обмотка через транзисторные ключи подключена к источнику питания, параллельно диодам подключены емкости [2].

К числу положительных свойств данного преобразователя можно отнести то, что на этапе выключения транзисторов напряжение на них нарастает плавно за счет разряда конденсаторов, благодаря чему формируется благоприятная траектория переключения транзисторов. Данный тип преобразователя на этапах включения-выключения транзисторов работает как резонансный за счет емкостей, шунтирующих диод, и индуктивностей обмоток трансформатора.

К недостаткам этого преобразователя можно отнести то, что необходимо два транзисторных ключа и два рекуперационных диода, что несколько увеличивает габариты и усложняет устройство. Ухудшают положительные свойства этого преобразователя и паразитные параметры трансформатора, за счет чего возможны импульсные перенапряжения на фронтах переключения. Достаточно сложная конструкция трансформатора ограничивает возможности по уменьшению паразитных параметров, таких как индуктивности рассеяния и собственные емкости обмоток.

В качестве прототипа принят однотипный преобразователь постоянного напряжения, содержащий силовой управляемый ключ, дроссель с двумя одинаковыми секциями, причем между началами секций включены первый формирующий конденсатор, между концами секций включен второй формирующий конденсатор, начало первой секции подключено к первому зажиму источника постоянного напряжения, конец второй секции подключен через силовой трансформатор к второму зажиму источника постоянного напряжения, а между концом первой секции и началом второй секции включен блокировочный диод в направлении проводимости согласно проводимости силового ключа.

Недостатком являются ограниченные функциональные возможности вследствие невозможности работы от сети переменного напряжения и необходимости использования полностью управляемых ключевых элементов.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей путем обеспечения работы как при постоянном, так и при переменном входном напряжении.

Сущность изобретения заключается в том, что преобразователь напряжения содержит электромагнитный узел с двумя первичными обмотками, включенными в диагонально противолежащие плечи моста, два конденсатора, включенные в оставшиеся плечи моста, вентильный узел, первый управляемый ключ и выходной выпрямитель, выходом соединенный с выходными выводами преобразователя.

Вентильный узел подключает первую диагональ моста к входным выводам преобразователя, а первый управляемый ключ шунтирует вторую диагональ моста.

Вентильный узел может быть выполнен в виде диода или в виде второго управляемого ключа.

Электромагнитный узел может быть выполнен в виде одного трехобмоточного трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к входу выходного выпрямителя, или в виде двух двухобмоточных трансформаторов, вторичная обмотка каждого из которых подключена к соответствующему входу выходного выпрямителя, или в виде двух однообмоточных дросселей, а вторая диагональ моста подключена к входу выходного выпрямителя.

На фиг. 1 показана схема преобразователя при выполнении коммутатора в виде неуправляемого выпрямителя и с выпрямителем во вторичных обмотках электромагнитных элементов; на фиг. 2 - пример преобразователя, где коммутатор и ключевой элемент выполнены на управляемых ключах, например тиристорах; на фиг. 3 - бестрансформаторный преобразователь повышающего типа с диодным коммутатором в цепи питания; на фиг. 4 - диаграммы напряжений в характерных точках преобразователя.

Преобразователь напряжения содержит (фиг. 1) электромагнитный узел с двумя первичными обмотками 1 и 2, включенными в диагональнопротиволежащие плечи моста, два конденсатора 3, 4, включенные в оставшиеся плечи моста, первая диагональ 5, 6 моста через (коммутатор) вентильный узел 7 подключена к входным выводам 8, 9, 10 преобразователя. К второй диагонали 11, 12 моста подключен первый управляемый ключ 13. Вторичные обмотки 14, 15 электромагнитных элементов 16, 17 электромагнитного узла подключены через диоды 18, 19 выходного выпрямителя к выходным выводам преобразователя, соединенные в свою очередь с нагрузкой 20.

Коммутатор 7 может быть выполнен по любой из известных схем выпрямителей при подключении к сети переменного тока. На фиг. 2 коммутатор 7 выполнен на тиристоре при подключении к сети постоянного (или переменного) тока, при этом предпочтительнее выполнение ключевого элемента 13 также на тиристоре. Вторичная обмотка 14 электромагнитного элемента (трансформатора) 16 образует выходные выводы.

В тех случаях (фиг. 3), когда нет необходимости гальванической развязки источника энергии 21 от нагрузки 20 последнюю через диод 22 и конденсатор 23 фильтра подключают к диагонали 11, 12 (5, 6) индуктивно-емкостные моста.

На диаграммах фиг. 4 показана работа преобразователя по схеме фиг. 1: 24 - ток через ключ 13; 25 - напряжение на ключе 13; 26 - ток через обмотку 1; 27 - ток вторичной обмотки 14; 28 - напряжение на конденсаторе 3 (4); 29 - напряжение на обмотке трансформатора 16 (17).

Пусть на входы 8...10 (фиг. 1) подано напряжение 3-фазной сети переменного тока на выходе коммутатора 7, в нашем случае это мостовой выпрямитель, установилось постоянное напряжение U_п, при этом конденсаторы моста 3, 4 заряжены до напряжения U_co = (U_п + U_н) при коэффициенте трансформации, равном единице.

Полный период работы преобразователя можно разделить на пять интервалов времени (фиг. 4).

I - интервал резонанса двух контуров моста. При нулевом токе открывается ключ 13. Первый контур резонанса образуется по цепи емкость 3 - индуктивность обмотки 1 трансформатора 16 - ключ 13. Второй контур - емкость 4 - ключ 13 - индуктивность обмотки 2 трансформатора 17. При отсутствии потерь, при равных значениях индуктивностей и емкостей обоих контуров ток через ключ i_к (t) и напряжение на конденсаторе U_c(t) можно выразить
i_k(t)=2 sinω_ot, (1)
U_c (t) = U_co cos ω _o t, (2) где U_co - напряжение на конденсаторе до момента открывания ключа (t_о);
ρ= - волновое сопротивление;
ω₀=1/ - резонансная частота.

В момент времени t₁ напряжение на каждом конденсаторе достигнет величины U_п/2. Ток через ключ можно определить из выражений (1, 2).

i= sin arccos. (3)
Например, при U_н = U_п/2 ток через ключ к моменту t₁ достигнет величины i= · 0,942, а ток через индуктивность в два раза меньше i= · 0,942. В момент времени t₁ открываются диоды выпрямителя 7.

II - интервал (t₁-t₂) накопления энергии в трансформаторах-дросселях 16 и 17. В этом случае ток через ключ уменьшается в два раза (t₁) и образуется цепь коммутатор (выпрямитель) 7 - обмотка 1 - ключ 13 - обмотка 2. Энергия источника питания (входы выпрямителя 8...10) через выпрямитель 7 запасается в трансформаторах-дросселях 16, 17.

III - интервал заряда конденсаторов (t₂-t₃). В момент времени t₂ по сигналу системы управления ключ запирают при максимальном токе. Так как ток в индуктивностях прекратиться не может, то начинается процесс дозаряда конденсаторов практически по линейному закону по цепи диагонали 5, 6 моста. По линейному закону с нуля нарастает напряжение на ключе. Таким образом, ключ выключается при максимальном токе и при нулевом напряжении.

IV - интервал передачи энергии в нагрузку (t₃-t₄). Когда напряжение на вторичных обмотках 14 и 15 достигнет напряжения в нагрузке, равном, например, U_п/2, откроются диоды 18, 19 (при емкостном характере нагрузки 20), а накопленная энергия трансформаторов-дросселей параллельно поступит в нагрузку 20.

Длительность IV интервала времени
Δ t_IV = I_mL/U_п, где I_m - максимальный ток в момент t₃ открывания диодов 18, 19.

V - интервал паузы (t₄...). В момент времени t₄ ток в обмотках 14, 15 становится равным нулю, и преобразователь готов к следующему циклу работы.

Следовательно, ключ открывается при максимальном напряжении и нулевом токе (потери отсутствуют), а закрывается - при максимальном токе и нулевом напряжении. Ток заряда конденсаторов 3, 4 протекает по цепи выпрямитель - индуктивность обмоток - конденсатор, т.е. ключ 13 исключен из этой цепи, что позволяет передавать в нагрузку дополнительную мощность.

Преобразователь по фиг. 2 отличается от преобразователя по фиг. 1 тем, что коммутатор 7 выполнен управляемым (управляемый выпрямитель или просто ключ, например, тиристорный).

Работает преобразователь по фиг. 2 следующим образом. При открывании ключа 7 наступают резонансные колебания двух стоек моста в диагонали 5, 6. При уменьшении тока в обмотке 1, 2 до нуля ключ 7 запирается, при этом напряжение на конденсаторах 3, 4 максимальное. На следующем этапе открывается ключ 13, при этом возникает резонансный процесс в других двух стойках моста диагонали 11, 12. При уменьшении тока через ключ 13 до нуля его запирают. После чего преобразователь готов к следующему циклу. В течение цикла к нагрузке дважды подключается источник энергии. Регулирование осуществляют изменением длительности паузы между открытыми состояниями ключей. При этом ключи 7 и 13 переключаются при нулевом токе (ПНТ).

Преобразователь по фиг. 3 работает аналогичным образом, что и по фиг. 1, однако нагрузка подключена в диагональ индуктивно-емкостного моста. При открытом ключе на первом интервале t_o-t₁ (фиг. 4) диод 7 закрыт: идет резонансный процесс, описываемый выражениями (1, 2), II - интервал накопления энергии, III - интервал дозаряда емкостей, IV - интервал передачи энергии в нагрузку. На этом интервале этот преобразователь отличается от преобразователя фиг. 1 тем, что индуктивности 1 и 2 включены последовательно с нагрузкой и источником питания 21. Это, по существу, импульсно-резонансный преобразователь повышающего типа ИРП-ПВ.

Таким образом предложенное устройство позволило расширить функциональные возможности путем обеспечения работы как при постоянном, так и при переменном входном напряжении.

В предложенном преобразователе удается использование тиристоров без дополнительных коммутирующих элементов и с благоприятной траекторией переключения (фиг. 2).

В предложенном преобразователе возможно подключение нагрузки к питающей сети без трансформаторной развязки. Возможно также использование двух нагрузок: одна с гальванической развязкой во вторичной цепи обмоток, а одна - без гальванической развязки при подключении нагрузки к одной из диагоналей индуктивно-емкостного моста, что расширяет возможности применения преобразователя.

Использование: в преобразовательной технике. Сущность изобретения: устройство содержит индуктивно-емкостной мост с обмотками 1,2 электромагнитных элементов и конденсаторами 3,4 в противоположных печах. Первая диагональ моста через коммутатор 7 подключена к входным выводам преобразователя, а к второй диагонали моста подключен управляемый ключ 13. Диагональ моста и/ или вторичные обмотки электромагнитных элементов образуют выходные выводы. Устройство работает как при постоянном, так и при переменном входном напряжении. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий электромагнитный узел с двумя первичными обмотками, включенными в диагонально-противолежащие плечи моста, два конденсатора, включенные в оставшиеся плечи моста, вентильный узел, первый управляемый ключ и выходной выпрямитель, выходом соединенный с выходными выводами преобразователя, отличающийся тем, что вентильный узел подключает первую диагональ моста к входным выводам преобразователя, а первый управляемый ключ шунтирует вторую диагональ моста. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что вентильный узел выполнен в виде диода. 3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что вентильный узел выполнен в виде входного выпрямителя. 4. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что вентильный узел выполнен в виде второго управляемого ключа. 5. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что электромагнитный узел выполнен в виде одного трехобмоточного трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к входу выходного выпрямителя. 6. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что электромагнитный узел выполнен в виде двух двухобмоточных трансформаторов, вторичная обмотка каждого из которых подключена к соответствующему входу выходного выпрямителя. 7. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что электромагнитный узел выполнен в виде двух однообмоточных дросселей, а вторая диагональ моста подключена к входу выходного выпрямителя.