МНОГОУРОВНЕВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ МНОГОУРОВНЕВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ Российский патент 2016 года по МПК H02M3/335 H02M7/483 H02M7/523 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к многоуровневым преобразователям, в частности к модульным многоуровневым преобразователям, которые гальванически изолированы друг от друга. Кроме того, настоящее изобретение относится к способу управления работой многоуровневого преобразователя, который обеспечивает постоянное среднее выходное напряжение звена постоянного тока.

Уровень техники

Многоуровневые преобразователи хорошо известны в технике. Например, для транспортных целей существует потребность в преобразовании входного напряжения переменного тока (АС) среднего уровня в выходное напряжение постоянного тока (DC) среднего или низкого уровня. В общем, AC/DC преобразователь (преобразователь напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока) можно реализовать в двухкаскадном подходе, который содержит каскад активного выпрямителя и каскад DC/DC преобразователя (преобразователя напряжения постоянного тока в напряжение постоянного тока).

Блок управления выполнен для управления каскадом активного выпрямителя и каскадом DC/DC преобразователя с целью обеспечения постоянного среднего выходного напряжения звена постоянного тока. Ряд измерительных элементов используется для измерения входного сетевого напряжения, входного сетевого тока, выходного напряжения звена постоянного тока, резонансного тока на первичной/вторичной стороне DC/DC преобразователя и напряжений звеньев постоянного тока всех уровней в блоках активного выпрямителя.

Обычно этот вид многоуровневого преобразователя имеет многоуровневую топологию, где каскады активного выпрямителя соединены последовательно, тогда как изолированные каскады DC/DC преобразователя соединены параллельно на выходе. В случае многоуровневой топологии преобразователя измерительные элементы должны измерять ток на вторичных сторонах каждого DC/DC преобразователя и выходные напряжения звеньев постоянного тока каждого каскада активного выпрямителя.

Блок управления служит для управления каскадом активного выпрямителя и каскадом DC/DC преобразователя таким образом, чтобы были удовлетворены по возможности основные цели управления средним постоянным выходным напряжением звена постоянного тока и управления коэффициентом мощности (например, близким к единице) и полным коэффициентом гармонических искажений (THD) сетевого тока, как можно ниже. Так как многоуровневый преобразователь в приложениях с напряжением среднего уровня работает непосредственно от источника напряжения среднего уровня, требования к изоляции измерительного оборудования являются достаточно высокими. Следовательно, предпочтительным является уменьшение количества датчиков напряжения/тока для измерений, необходимых для применения схемы управления в блоке управления.

В документе ЕР 2180586 А1 и US 6344979 B1 показан AC/DC преобразователь, имеющий вышеописанную двухкаскадную топологию и использующий резонансный контур LLC или резонансный контур CLL, соответственно, для изготовления резонансного DC/DC преобразователя.

В документе DE 19827872 A1 также показан многоуровневый силовой электронный трансформатор, имеющий двухкаскадную топологию с блоком активного выпрямителя и нерезонансным DC/DC преобразователем.

В документе DE 19750041 C1 раскрыт DC/DC преобразователь, имеющий активный выпрямитель и DC/DC преобразовательный каскад, который является резонансным каскадом.

Кроме того, в документе US 6218792 В1 раскрыто устройство модульного преобразователя с фокусом на модулях, механические особенности и возможности подключения.

В документе US 5646835 раскрыт последовательный резонансный контур, который включает в себя инвертор на биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT). Последовательный резонансный контур включает в себя контроллер, который использует фазовую частотную модуляцию совместно с логарифмическим усилителем для управления инвертором.

В документе US 2006/0221653 А1 раскрыт интеллектуальный универсальный трансформатор на основе многоуровневого преобразователя, который включает в себя многоуровневые преобразователи с каскадным включением, которые связаны с переключательной схемой инвертора через высокочастотный трансформатор. Вход универсального трансформатора может быть подключен к распределительной сети высокого напряжения, а выход универсального трансформатора может быть подключен к потребителю низкого напряжения.

В документе Т.Zhao, G.Wang, J.Zeng, S.Dutta, S.Bhattacharya and A.Q.Huang, "Voltage and power balance control for a cascaded multilevel solid-state transformer", IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, APEC 2010, pp.761-767 (Т.Жау, Г.Уэнг, Дж.Зенг, С.Дутта, С.Бхаттачария и А.К.Хуанг "Управление балансом напряжения и мощности для каскадного многоуровневого твердотельного трансформатора", ИИЭР, Конференция по прикладной силовой электронике, APEC 2010, с.761-767), сдвоенный активный мостовой преобразователь используется для каскада DC/DC преобразователя. Потоком мощности в сдвоенном активном мостовом преобразователе управляют путем регулировки сдвига фаз между напряжениями, приложенными на входной и выходной стороне параллельно индуктивности рассеяния трансформатора. Для того чтобы достигнуть баланса мощности между каскадами, необходимо измерить все напряжения и токи на каждом уровне на обеих сторонах.

Преобразователь родового типа также описан в US 5233509.

Раскрытие изобретения

Принимая во внимание вышесказанное, задача настоящего изобретения заключается в выполнении способа управления многоуровневым преобразователем, который позволяет уменьшить количество измеряемых напряжений и токов.

Вышеуказанная задача решается с помощью способа управления многоуровневым преобразователем по п.1 и многоуровневым преобразователем по другим независимым пунктам.

Другие варианты осуществления настоящего изобретения указаны в зависимых пунктах.

Согласно первому аспекту, многоуровневый преобразователь содержит:

- активный каскад для преобразования входного напряжения переменного тока на входе напряжения переменного тока в промежуточное напряжение постоянного тока;

- DC/DC преобразователь для преобразования промежуточного постоянного напряжения в выходное постоянное напряжение на выходе постоянного напряжения, в котором DC/DC преобразователь имеет резонансный трансформатор, в частности, образованный с помощью резонансной схемы и трансформатора,

- блок управления, выполненный с возможностью

- активной работы активного каскада только на основании выходного постоянного напряжения DC/DC преобразователя, входного напряжения и входного тока активного каскада, и

- работы DC/DC преобразователя в режиме работы без обратной связи.

Одна идея настоящего изобретения заключается в том, чтобы выполнить преобразователь и схему управления для такого преобразователя, в котором достаточно измерять только выходное постоянное напряжение DC/DC преобразователя, входное напряжение и входной ток активного каскада для достижения цели управления постоянным средним выходным напряжением звена постоянного тока и синусоидальным входным током для управляемого коэффициента мощности.

Что касается DC/DC преобразователя, то используется резонансный преобразователь с трансформатором. DC/DC преобразователь работает в режиме работы без обратной связи таким образом, чтобы напряжение на первичной и вторичной сторонах трансформатора были связаны друг с другом, по существу, независимо от выдаваемого выходного тока.

Поэтому для способа управления требуется только входное напряжение, входной ток и выходное напряжение в качестве контролируемой величины, так как благодаря резонансному DC/DC преобразователю напряжение на первичной стороне резонансного преобразователя также должно быть фиксированным на определенном значении. Поэтому существует потребность в дополнительном управлении напряжениями на первичной стороне, и управление выходным постоянным напряжением достаточно только благодаря сильной связи между первичной и вторичной стороной резонансного DC/DC преобразователя.

Кроме того, блок управления можно выполнить с возможностью работы DC/DC преобразователя в режиме работы без обратной связи путем переключения активного ключа с частотой переключения, которая соответствует резонансной частоте резонансного трансформатора или ниже. Следовательно, можно достигнуть того, что в резонансном DC/DC преобразователе, который работает в режиме работы без обратной связи, можно определить фиксированную рабочую точку, которую можно оптимизировать с точки зрения эффективности.

Согласно одному варианту осуществления, DC/DC преобразователь может иметь первый блок переключения и второй блок переключения, каждый из которых имеет переключающие элементы, к каждому из которых параллельно подсоединен диод для подавления выбросов напряжения, в котором между первым блоком переключения и вторым блоком переключения размещен резонансный трансформатор, где блок управления выполнен с возможностью работы одного из блоков переключения с рабочим циклом приблизительно 50% и на частоте переключения. В частности, можно предусмотреть, чтобы блок управления был выполнен с отсутствием возможности возбуждения соответствующего другого из блоков переключения для того, чтобы диоды для подавления выбросов напряжения действовали как пассивные выпрямители, или был выполнен с возможностью работы соответствующего другого одного из блоков переключения в качестве активного выпрямителя.

Оказывается, что работа с фиксированным рабочим циклом 50% в области резонансной частоты или ниже является достаточной. Это обеспечивает переключение при нулевом напряжении для импульсных полупроводников во время включения и переключение с квазинулевым током во время выключения, так как значением тока выключения можно управлять и минимизировать во время проектирования резонатора.

В зависимости от потока энергии, DC/DC преобразователь может работать с активным переключением первичного или вторичного блока переключения, тогда как соответствующий другой блок, в зависимости от топологии, может работать как пассивный выпрямитель или работать за счет переключения в качестве активного выпрямителя. В случае когда один из блоков переключения работает в качестве пассивного выпрямителя, он действует как трансформатор полных сопротивлений, в котором эквивалентное сопротивление нагрузки отличается от фактического сопротивления нагрузки, и его легко вычислить. Для постоянного выходного напряжения звена постоянного тока напряжение на первичной стороне резонансного преобразователя также фиксируется на постоянном значении, которое определяется с помощью коэффициентов трансформации трансформатора и влияет на напряжение на концах взаимного полного сопротивления резонансного контура.

Можно предусмотреть, чтобы блок управления имел функцию управления, которая обеспечивала бы управление с обратной связью выходным постоянным напряжением и входным током с учетом выходного постоянного напряжения, входного напряжения и входного тока активного каскада.

Кроме того, функция управления может представлять собой функцию каскадного управления.

Активный каскад может иметь схему Н-моста, в котором схема Н-моста работает согласно индексу модуляции, который является результатом функции управления.

Можно предусмотреть, чтобы активный каскад имел последовательно соединенную входную индуктивность.

Согласно одному варианту осуществления, резонансный трансформатор может быть образован с помощью резонансной схемы и трансформатора, где резонансная схема включает в себя резонансную индуктивность, резонансный конденсатор и параллельно соединенную индуктивность.

Согласно другому аспекту, можно предусмотреть устройство, включающее в себя несколько вышеописанных преобразователей, где входы напряжения переменного тока активных каскадов соединены последовательно, и выходы напряжений постоянного тока DC/DC преобразователя соединены параллельно, в котором блок управления выполнен с возможностью активной работы активных каскадов только на основании общего выходного постоянного напряжения параллельно соединенных DC/DC преобразователей, входного напряжения на входе устройства и входного тока, проходящего через устройство.

Более того, общую входную индуктивность можно выполнить последовательно с последовательно соединенными активными каскадами.

Следует отметить, что вышеупомянутое входное напряжение соответствует входному сетевому напряжению, прикладываемому извне к преобразователю, и связано преобразователем. Обычно, входные индуктивности выполнены и предусмотрены для развязки входного сетевого напряжения, подаваемого извне, от напряжения на ключах (схема Н-моста) внутри активного каскада.

Согласно другому аспекту, можно предусмотреть способ, содержащий следующие этапы, на которых:

- обеспечивают активную работу активного каскада только на основании выходного постоянного напряжения DC/DC преобразователя входного напряжения и входного тока активного каскада, и

- обеспечивают работу DC/DC преобразователя в режиме работы без обратной связи.

Краткое описание чертежей

Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения более подробно описаны ниже совместно с сопроводительными чертежами, на которых:

фиг.1 - схема AC/DC преобразователя, имеющего каскад активного выпрямителя и каскад DC/DC преобразователя;

фиг.2 - блок-схема, иллюстрирующая схему управления работой многоуровневого преобразователя; и

фиг.3 - многоуровневый преобразователь, имеющий несколько AC/DC преобразователей.

Осуществление изобретения

На фигуре 1 показан AC/DC преобразователь 1, который используется в силовом электронном трансформаторе среднего напряжения. Такой вид преобразователей можно использовать, например, в целях создания силы тяги.

AC/DC преобразователь 1 имеет каскад 2 активного выпрямителя (активный каскад) и каскад 3 DC/DC преобразователя. Хотя такой преобразователь 1 может работать двунаправленно, следующее ниже описание относится к потоку энергии из каскада 2 активного выпрямителя в каскады 3 DC/DC преобразователя, которые обычно используются для приложений, связанных с созданием тяговых усилий.

Каскад 2 активного выпрямителя имеет выводы для переменного тока, предназначенные для подачи входного переменного напряжения u_in. Выводы для постоянного тока каскада 2 активного выпрямителя выполнены для подачи преобразованного промежуточного напряжения U_z звена постоянного тока. Промежуточное напряжение U_z звена постоянного тока подается на первые выводы каскада 3 DC/DC преобразователя, который служит для развязки и трансформации промежуточного напряжения U_z звена постоянного тока в выходное напряжение U_out.

Каскад 2 активного выпрямителя представляет собой активно работающий блок AC/DC преобразования. В настоящем варианте осуществления каскад 2 активного выпрямителя содержит четыре (первый-четвертый) переключающих элемента S₁-S₄, соединенных между собой в виде схемы Н-моста. Переключающие элементы S₁-S₄ можно выполнить в виде силовых полевых транзисторов со структурой металл-оксид-полупроводник (MOSFET), биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), биполярных транзисторов с коммутируемым затвором (IGCT) и т.п., каждый из которых имеет диоды D₁-D₄ для подавления выбросов напряжения, соответственно, соединенные параллельно. В частности, первый и второй переключающие элементы S₁ и S₂ соединены последовательно между первой линией 7 постоянного тока и второй линией 8 постоянного тока, которые подают промежуточное напряжение U_z звена постоянного тока. Аналогичным образом, третий переключающий элемент S₃ и четвертый переключающий элемент S₄ соединены последовательно между первой линией 7 постоянного тока и второй линией 8 постоянного тока.

Переменное входное линейное напряжение u_in подается на первый узел N₁, который находится между последовательно соединенными первым и вторым переключающими элементами S₁, S₂ через входную индуктивность L_in каскада 2 активного выпрямителя, и ко второму узлу N₂, который находится между последовательно соединенными третьим и четвертым переключающими элементами S₃, S₄. Между линией 7 постоянного тока и второй линией 8 постоянного тока дополнительно последовательно подсоединены конденсаторы С₁ и C₂ звена постоянного тока.

Пассивный каскад 3 DC/DC преобразователя связан с линиями 7, 8 постоянного тока каскадом 2 активного выпрямителя для того, чтобы принимать промежуточное напряжение U_z звена постоянного тока. Пассивный каскад 3 DC/DC преобразователя имеет первую полумостовую схему 31, которая представляет собой последовательное соединение пятого переключающего элемента S₅ и шестого переключающего элемента S₆, которые связаны с выводами постоянного тока, то есть первой линией 7 постоянного тока и второй линией 8 постоянного тока каскада активного выпрямителя.

Резонатор 32 выполнен так, что один его вход связан с четвертым узлом N₄ первого полумоста 31 между пятым и шестым переключающими элементами S₅, S₆, и второй его вход связан с третьим узлом N₃ последовательного соединения первого и второго конденсаторов C₁, C₂ каскада 2 активного выпрямителя. Дополнительные выводы резонатора 32 связаны с первичной стороной трансформатора 33. Ко второй линии 8 постоянного тока вместо третьего узла N₃ можно также подсоединить резонансный конденсатор.

Как показано на фиг.1, резонатор 32 может содержать резонансный конденсатор C_r, который подсоединен между четвертым узлом N₄ первого полумоста 31 и Т-узлом N_T резонатора 32. Т-узел N_T соединен через резонансную индуктивность L_r резонатора 32 с первым выводом первичной стороны трансформатора 33. Третий узел N₃ последовательного соединения конденсаторов C₁, С₂ каскада 2 активного выпрямителя соединен со вторым выводом первичной стороны трансформатора 33. Параллельно соединенная индуктивность L_m резонатора 32 предусмотрена между Т-узлом N_T и вторым выводом первичной стороны трансформатора 33.

Альтернативно, резонатор 32 может содержать последовательное соединение резонансного конденсатора C_r и резонансной индуктивности, которая подсоединена между четвертым узлом N₄ первого полумоста 31 и первым выводом первичной стороны трансформатора 33. Третий узел N₃ последовательного соединения конденсаторов C₁, C₂ каскада 2 активного выпрямителя соединен со вторым выводом первичной стороны трансформатора 33. Параллельная индуктивность L_m резонатора 32 предусмотрена между первым выводом первичной стороны трансформатора 33 и вторым выводом первичной стороны трансформатора 33.

Согласно другому альтернативному варианту осуществления, резонатор 32 может содержать резонансную индуктивность L_r, которая подсоединена между четвертым узлом N₄ первого полумоста 31 и первым выводом первичной стороны трансформатора 33, и резонансную емкость C_r, которая подсоединена между третьим узлом последовательного соединения конденсаторов C₁, C₂ каскада 2 активного выпрямителя и вторым выводом первичной стороны трансформатора 33. Параллельная индуктивность L_m выполнена между первым и вторым выводами первичной стороны трансформатора 33.

В альтернативных вариантах осуществления, резонансная индуктивность L_r и параллельная индуктивность L_m резонатора 32 могут быть также интегрированы в магнитную структуру трансформатора 33.

Возможно также, что вместо третьего узла N₃ резонаторный конденсатор непосредственно подсоединен ко второй линии 8 постоянного тока. В случаях, где второй вход резонатора 32 связан со второй линией 8 постоянного тока, второй вывод первичной стороны трансформатора предпочтительно непосредственно соединен со второй линией 8 постоянного тока, то есть без каких-либо компонентов между второй линией постоянного тока и вторым выводом первичной стороны трансформатора 33.

Первый вывод вторичной стороны трансформатора 33 связан с пятым узлом N₅ второго полумоста 34, содержащего последовательное соединение седьмого и восьмого переключающих элементов S₇, S₈. Последовательное соединение второго полумоста 34 подключено между первой и второй выходными линиями 15, 16 постоянного тока, которые соединены с первым и вторым выходными выводами O₁, О₂ соответственно.

Переключающие элементы S₁-S₄ каскада 2 активного выпрямителя и элементы S₅-S₈ первого и второго полумостов 31, 34 можно реализовать в виде MOSFET, IGBT, IGCT и т.п., каждый из которых имеет интегральные (встроенные) или отдельные диоды D₁-D₈ для подавления выбросов напряжения, соответственно, которые соединены параллельно и обратно смещенным образом с соответствующими переключающими элементами S₁-S₈.

Между первым и вторым выходными выводами О₁, О₂ выполнено последовательное соединение третьего и четвертого конденсаторов S₃, S₄, где шестой узел N₆ последовательного соединения третьего и четвертого конденсаторов С₃, С₄ связан со вторым выводом вторичной стороны трансформатора 33. Альтернативно, второй вывод вторичной стороны трансформатора 33 может быть также непосредственно связан со вторым выходным выводом O₂.

Можно предусмотреть, чтобы резонансный конденсатор C_r представлял собой щель в одном конденсаторе, соединенным с первым/вторым выводом первичной стороны трансформатора 33 и другим одним конденсатором, соединенным с первым/вторым выводом вторичной стороны трансформатора 33.

Блок 5 управления управляет AC/DC преобразователем 1. Для обеспечения блока управления измерениями входных параметров выполнен блок 10 измерения входного напряжения для того, чтобы регистрировать переменное входное напряжение u_in, и выполнен блок 11 измерения входного тока для регистрации переменного входного тока i_in. Кроме того, выполнен блок 12 измерения выходных параметров для регистрации выходного напряжения U_out.

Блок 5 управления управляет работой каскада 2 активного выпрямителя и управляет работой пассивного каскада 3 DC/DC преобразователя. Управление выполняется на основе входных измерений переменного входного напряжения u_in, переменного входного тока i_in и постоянного выходного U_out, а также заданного требуемого выходного напряжения U_des.

Каскад 3 DC/DC преобразователя реализован в виде каскада резонансного трансформатора, в котором резонатор 32 обеспечивает резонансную частоту комбинированной схемы резонатора 32 и трансформатора 33, при этом одну резонансную частоту можно настроить путем тщательного выбора резонансной индуктивности L_r и резонансного конденсатора C_r. Другая резонансная частота определяется путем выбора значений, которые определяются с помощью резонансной индуктивности L_r и резонансного конденсатора C_r и параллельной индуктивности L_m. В зависимости от потока энергии включается либо первый полумост 31, либо второй полумост 34, тогда как соответствующий другой полумост остается пассивным для того, чтобы связанные диоды для подавления выбросов напряжения действовали просто как выпрямитель.

В настоящем случае предполагается, что поток энергии выходит из каскада 2 активного выпрямителя в каскад 3 DC/DC преобразователя на выходные выводы O₁, O₂. В этом случае, только первый полумост 31 переключается активно, тогда как переключающие элементы S₇ и S₈ второго полумоста 34 выключены, таким образом, связанные диоды D₇ и D₈ для подавления выбросов напряжения выпрямляют напряжение и ток, создаваемые на вторичной стороне трансформатора 33.

В альтернативном варианте осуществления DC/DC преобразователь можно реализовать с помощью многоуровневой топологии на обеих сторонах резонатора 32. Тогда потребуется переключение на обеих сторонах независимо от потока мощности таким образом, чтобы получилось активное выпрямление.

Предполагая, что преобразователь 1 работает как AC/DC преобразователь, основными целями управления являются то, чтобы выходное напряжение U_out звена постоянного тока было постоянным в среднем, входной ток i_in имел низкий THD и коэффициент мощности при управлении был близким к единице. Благодаря использованию каскада 3 резонансного трансформатора постоянное выходное напряжение U_out звена постоянного тока на концах последовательного соединения конденсаторов С₃ и C₄ и промежуточное напряжение U_z на входной стороне каскада 3 трансформатора на концах конденсаторов C₁ и С₂ также фиксируются на постоянном значении и определяются с помощью коэффициента преобразования трансформатора и напряжения на взаимном полном сопротивлении резонатора 32.

Каскад 3 трансформатора может работать без обратной связи при фиксированной рабочей точке, которую можно оптимизировать для получения максимальной возможной эффективности. Фиксированная частота 50-процентного рабочего цикла активно работающего полумоста в области резонансной частоты или ниже ее является достаточной. Это обеспечивает переключение при нулевом напряжении для активного полумоста во время включения и переключение с квазинулевым током во время выключения.

Для достижения вышеупомянутых основных целей управления достаточно получить в качестве входного измерения входное напряжение u_in, входной ток i_in и выходное напряжение U_out, которое сильно связано с промежуточным напряжением U_z.

Как показано на фиг.2, схема управления может, например, быть реализована в виде контура с каскадным управлением с внутренним контроллером 51 сетевого входного тока и внешним контроллером 52 выходного напряжения звена постоянного тока. Контроллер 51 сетевого входного тока выполняет управление (например, с использованием блоков управления Р или I) в зависимости от разности выходного напряжения между требуемым напряжением U_des и фактическим выходным напряжением U_out. В блоке 54 умножения выходное значение внутреннего контроллера 51 сетевого тока умножается на сигнал синусоидальной формы, извлеченный из переменного входного напряжения u_in, с использованием контура 53 фазовой автоподстройки частоты для получения сигнала синусоидального переменного тока с амплитудой, которая зависит от разности между требуемым напряжением U_des и фактическим выходным напряжением U_out. Таким образом, получается ток i_line управления.

Ток i_line управления и входной ток i_in вычитаются друг из друга в блоке 55 вычитания, и полученная в результате разность токов подается во внешний контроллер 52 выходного напряжения звена постоянного тока для получения индекса М модуляции, который используется для обеспечения работы каскада 2 активного выпрямителя. В общем, индекс модуляции показывает схему модуляции и описывает, насколько модулированная переменная несущего сигнала изменяется относительно своего немодулированного уровня. Поэтому промежуточным напряжением U_z звена постоянного тока, которое вырабатывается в зависимости от индекса М модуляции, можно управлять, используя только электрические измерения, которые применяются на входной и выходной стороне преобразователя 1.

На фиг.3 показано преобразовательное устройство 40, имеющее несколько преобразователей 1, которые последовательно соединены на стороне входа, и в котором выходные выводы соединены параллельно. Другими словами, первые выходные выводы O₁ каждого преобразователя 1 соединены между собой, и вторые выходные выводы O₂ соединены между собой. На входной стороне каскады 2 активного выпрямителя последовательно соединены в виде шлейфового соединения, и входное напряжение прикладывается к последовательно соединенным каскадам 2 активного выпрямителя.

Блок 5 управления управляет преобразовательным устройством 40. Параметр измерения, который подается в блок 5 управления, получается с помощью блока 10 измерения входного напряжения для регистрации переменного входного напряжения u_in на всех последовательно соединенных каскадах 2 активного выпрямителя и блока 11 измерения тока, для обнаружения переменного входного тока i_in через все каскады 2 активного выпрямителя. Кроме того, блок 12 измерения выходных параметров выполнен с возможностью регистрации общего выходного напряжения U_out всех каскадов 3 DC/DC преобразователя.

В альтернативном варианте осуществления входные индуктивности L_in всех или части каскадов 2 активного выпрямителя можно заменить на общую входную индуктивность, последовательно соединенную с каскадами 2 активного выпрямителя, для развязки переменного входного напряжения u_in от напряжения на последовательно соединенных каскадах 2 активного выпрямителя.

Способ управления, предложенный выше, также применим к преобразовательному устройству, показанному на фиг.3. Так как все выходы каскадов 3 DC/DC преобразователя соединены параллельно, то предполагается, что все плавающие звенья постоянного тока на первичной стороне каскадов 3 трансформатора (или на выходной стороне каскадов 2 активного выпрямителя) будут фиксироваться на идеально идентичных значениях. Поэтому отсутствует необходимость в дополнительном управлении промежуточным напряжением U_z звена постоянного тока и управлении выходным напряжением звена постоянного тока и достаточно управлять только выходным напряжением только звена постоянного тока вследствие сильной связи между первичной и вторичной сторонами в каскаде 3 DC/DC преобразователя, так как он образован как резонансный преобразователь.

Влияние изменения параметров среди различных преобразователей на сбалансированное распределение мощности и уравновешивание с помощью конденсатора на первичной стороне является низким, так как топология на фиг.3 является довольно устойчивой и нечувствительной к изменениям этих параметров. В частности, чувствительность к изменению значения резонансной индуктивности L_r, резонансного конденсатора C_r и емкости цепи постоянного тока является низкой, и может допускаться даже изменение плюс/минус 20%.

Перечень ссылочных позиций

1 - Преобразователь

2 - Каскад активного выпрямителя

3 - Каскад DC/DC преобразователя

5 - Блок управления

7 - Первая линия постоянного тока

8 - Вторая линия постоянного тока

10 - Блок измерения входного напряжения

11 - Блок измерения входного тока

12 - Блок измерения выходного напряжения

31 - Первый полумост

32 - Резонатор

33 - Трансформатор

34 - Второй полумост

S₁-S₈ - Переключающие элементы

D₁-D₈ - Диоды для подавления выбросов напряжения

C_r - Резонансный конденсатор

L_r - Резонансная индуктивность

L_m - Параллельная индуктивность

L_in - Входная индуктивность

51 - Внутренний контроллер сетевого тока

52 - Внешний контроллер выходного напряжения цепи постоянного тока

53 - Контур фазовой автоподстройки частоты

54 - Блок умножения

55 - Блок вычитания

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в модульном многоуровневом преобразователе, например, для транспортных средств. Многоуровневый преобразователь (1) содержит: активный каскад (2) для преобразования переменного входного напряжения (u_in) на входе переменного тока в промежуточное постоянное напряжение (U_z); DC/DC преобразователь (3) для преобразования промежуточного постоянного напряжения (U_z) в выходное постоянное напряжение (U_out) на выходе постоянного тока. DC/DC преобразователь (3) содержит резонансный трансформатор (32, 33), образованный резонансным контуром (32) и трансформатором (33). Блок (5) управления преобразователя (1) выполнен с возможностью активной работы активного каскада (2) только на основании выходного постоянного напряжения (U_out) DC/DC преобразователя (3), входного напряжения (u_in) и входного тока преобразователя (1) и работы DC/DC преобразователя (3) в режиме работы без обратной связи. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Преобразователь (1), содержащий:
активный каскад (2) для преобразования переменного входного напряжения (u_in) на входе переменного тока в промежуточное напряжение (U_z) постоянного тока;
преобразователь (3) постоянного тока в постоянный ток (DC/DC) для трансформации промежуточного постоянного напряжения (U_z) в выходное постоянное напряжение (U_out) на выходе постоянного тока, причем DC/DC преобразователь (3) содержит резонансный трансформатор (32, 33), образованный резонансным контуром (32) и трансформатором (33),
блок (5) управления, выполненный с возможностью активной работы активного каскада (2) только на основании выходного постоянного напряжения (U_out) DC/DC преобразователя (3), входного напряжения (u_in) и входного тока преобразователя (1), и с возможностью работы DC/DC преобразователя (3) в режиме работы без обратной связи.

2. Преобразователь (1) по п.1, в котором блок (5) управления выполнен с возможностью работы DC/DC преобразователя (3) в режиме работы без обратной связи посредством переключения активного ключа с частотой переключения, которая соответствует резонансной частоте резонансного трансформатора (32, 33) или ниже.

3. Преобразователь (1) по п.1 или 2, в котором DC/DC преобразователь (3) имеет первый блок (31) переключения и второй блок (34) переключения, каждый из которых имеет переключающие элементы (S₅-S₈), каждый из которых соединен параллельно с помощью диодов (D₅-D₈) для подавления выбросов напряжения, при этом между первым блоком (31) переключения и вторым блоком (34) переключения размещен резонансный трансформатор (32, 33), причем блок (5) управления выполнен с возможностью обеспечения работы одного из блоков (31, 34) переключения с рабочим циклом приблизительно 50% и на частоте переключения.

4. Преобразователь (1) по п.3, в котором блок (5) управления выполнен с возможностью отсутствия возбуждения соответствующего другого из блоков (31, 34) переключения таким образом, чтобы диоды (D₅-D₈) для подавления выбросов напряжения действовали в качестве пассивного выпрямителя, или с возможностью работы соответствующего другого одного из блоков (31, 34) переключения, действующего в качестве активного выпрямителя.

5. Преобразователь (1) по п.1, в котором блок (5) управления имеет функцию управления с управлением обратной связью постоянным выходным напряжением (U_out) и входным током с учетом постоянного выходного напряжения (U_out), входного напряжения (u_in) и входного тока (i_in) активного каскада (2).

6. Преобразователь (1) по п.5, в котором функция управления представляет собой функцию каскадного управления.

7. Преобразователь (1) по п.5 или 6, в котором активный каскад (2) содержит схему Н-моста, причем схема Н-моста работает в соответствии с индексом модуляции, который является результатом функции управления.

8. Преобразователь (1) по п.1, в котором активный каскад (2) имеет последовательно соединенную входную индуктивность (L_in).

9. Преобразователь (1) по п.1, в котором резонансный трансформатор (32, 33) образован резонансным контуром (32) и трансформатором (33), при этом резонансный контур (32) включает в себя резонансную индуктивность (L_r), резонансный конденсатор (C_r) и параллельную индуктивность (L_m).

10. Устройство (40), содержащее множество преобразователей по одному из пп.1-9, в котором входы переменного тока активных каскадов (2) последовательно соединены и выходы постоянного тока DC/DC преобразователя (3) соединены параллельно, при этом блок (5) управления выполнен с возможностью активной работы активных каскадов (2) только на основании общего выходного постоянного напряжения (U_out) параллельно соединенных DC/DC преобразователей (3), входного напряжения на входе устройства (40) и входного тока, протекающего через устройство (40).

11. Устройство (40) по п.10, в котором общая входная индуктивность соединена последовательно с последовательно соединенными активными каскадами (2).

12. Способ работы преобразователя (1), в котором преобразователь (1) содержит:
активный каскад (2) для преобразования переменного входного напряжения (u_in) на входе переменного тока в промежуточное постоянное напряжение (U_z);
DC/DC преобразователь (3) для трансформации промежуточного постоянного напряжения (U_z) в выходное постоянное напряжение (U_out) на выходе постоянного тока, причем DC/DC преобразователь (3) имеет резонансный трансформатор (32, 33), в частности, образованный резонансным контуром (32) и трансформатором (33),
включающий следующие этапы, на которых:
обеспечивают активную работу активного каскада (2) только на основании выходного постоянного напряжения (U_out) DC/DC преобразователя (3), входного напряжения (u_in) преобразователя (1) и входного тока активного каскада (2), и
обеспечивают работу DC/DC преобразователя (3) в режиме работы без обратной связи.