Преобразователь постоянного тока в постоянный ток Российский патент 2020 года по МПК H02M3/337 

Изобретение относится к области электроники и электротехники и может быть использовано в силовой преобразовательной технике, электропитании, энергетике, электрохимии, гальванотехнике, в сварочных установках, в комплексах для прогрузки автоматических выключателей постоянным током, а также для заряда индуктивных сверхпроводящих накопителей и в зарядных устройствах для быстрой зарядки аккумуляторов электротранспорта.

Во всех указанных областях применения, где реализуются вышеназванные технологии, требуется, чтобы преобразователи постоянного тока обеспечивали высокие значения токов (сотни и тысячи ампер) и малое значение выходного напряжения (до 50 вольт) при максимально возможном КПД и одновременном снижении массогабаритных показателей.

Известен способ плавного регулирования величины и изменения фазы напряжения перемненого тока [1. Патент РФ №2266608 на изобретение, МПК⁷ Н02М 3/22, Н02М 7/527, G05F 1/56, опубликовано 20.12.2005 г.]. В источнике [1] представлено устройство (преобразователь) для реализации этого способа, которое содержит инвертор, выполненный на ключах; трансформаторно-выпрямительный модуль, состоящий из высокочастотного трансформатора и синхронного выпрямителя и выходной LC-фильтр. Высокочастотный трансформатор выполнен трехобмоточным, имеет одну первичную и две вторичные обмотки. Конец первой вторичной обмотки соединен с началом второй вторичной обмотки и образует общий выход схемы, а начало первой вторичной обмотки и конец второй вторичной обмотки подключены соответственно к входам соответствующих ключей синхронного выпрямителя, при чем выходы этих ключей объеденены и подключены к выходному фильтру, выход которого образует выход устройства реализующего данный способ по аналогу [1]. Этот преобразователь позволяет получить необходимый ток за счет увеличения коэффициента трансформации высокочастотного трансформатора и осуществить изменение фазы за счет синхронного выпрямителя.

Однако при увеличении коэффициента трансформации с целью получения низкого выходного напряжения преобразователя (до 50 вольт), увеличивается индуктивность рассеяния трансформаторов, что приводит к росту внутреннего сопротивления синхронного выпрямителя и увеличению потерь постоянной составляющей выпрямленного напряжения. Увеличение внутреннего сопротивления синхронного выпрямителя приводит к «мягкой» (падающей) выходной характеристике преобразователя, и требует повышения установленной (габаритной) мощности преобразователя, и, как следствие, к ухудшению его массогабаритных показателей. Кроме того дроссель выходного фильтра и высокочастотный трансформатор реализованы на сердечниках, имеющих не связанные между собой габаритные размеры, и плохо компонуются в готовом изделии, что приводит к недоиспользованию рабочего объема в корпусе преобразователя и ухудшению его массогабаритных показателей. При этом реализация сильноточного трехобмоточного трансформатора является сложной технологической задачей. Кроме того, использование выходного LC-фильтра, приводит к увеличению количества сильноточных электрических контактов, что в свою очередь приводит к дополнительным падениям выходного напряжения на этих контактах и в целом снижает КПД преобразователя (что особенно важно при получении больших токов, сотни и тысячи ампер, при низких выходных напряжениях до 50 вольт). Кроме того транзисторные ключи синхронного выпрямителя должны быть рассчитаны на большие токи (сотни и тысячи ампер), что в свою очередь приводит к необходимости параллельного включения транзисторов на меньшие токи, а это приводит к неравномерному делению токов между этими транзисторами и снижает надежность преобразователя.

Из уровня техники известен преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение [2 Патент на изобретение РФ №2539560, МПК (2006.01) Н02М 3/00, Н02М 3/335, опубликовано 20.01.2015]. Это устройство содержит два параллельно включенных инвертора, выполненных на транзисторах, два трансформаторно-выпрямительных блока, каждый из которых состоит из трехобмоточных трансформаторов и двух параллельно соединенных выпрямителей, выполненных на диодах. Это устройство [2] обеспечивает коммутацию транзисторных ключей практически при нуле тока, тем самым многократно снижаются динамические потери на транзисторах преобразователя, что ведет к увеличению его КПД. По сравнению с аналогом [1] требования к ключам выпрямителя снижаются в два раза, за счет параллельного включения выходных выпрямителей, что в свою очередь позволяет использовать высокочастотные диоды на меньшие токи.

Однако при увеличении коэффициента трансформации в аналоге [2] также как и в [1] с целью получения низкого выходного напряжения (до 50 вольт) увеличивается индуктивность рассеяния, что также приводит к «мягкой» выходной характеристике преобразователя, а значит к повышенной установленной (габаритной) мощности преобразователя, и к ухудшению его массогабаритных показателей. Кроме того, использование в аналоге [2] трехобмоточных трансформаторов, также как и в [1], приводит к их сложной технологической реализации, особенно при формировании больших токов (сотни и тысячи ампер). Кроме того использование двух инверторов приводит к увеличению массогабаритных показателей преобразователя. В тоже время величина прямого падения напряжения на полупроводниковых диодах в аналоге [2], которое значительно больше падения напряжения на синхронных выпрямителях в аналоге [1], требует повышения установленной (габаритной) мощности преобразователя и снижает его КПД (особенно при низких выходных напряжениях до 50 вольт). Кроме того, в известном преобразователе [2] не обеспечивается равномерное деление выходного тока между двумя преобразователями, что приводит к их неравномерной загрузке и, как следствие, к уменьшению надежности преобразователя в целом.

Из уровня техники известен преобразователь постоянного тока в постоянный [3. Авторское свидетельство СССР №1541726, МПК⁵ Н02М 3/315, Н02М 3/337, опубликовано 07.02.1990]. Этот преобразователь [3] содержит мостовой инвертор, выполненный на управляемых ключах, трансформаторно-выпрямительный модуль (в [3] назван согласующим электромагнитным блоком), который состоит из двух трансформаторов (реакторов в терминологии [3]). Начала первичных обмоток трансформаторов соединены последовательно, а их концы подключены к выходу инвертора (диагональ переменного тока в терминологии [3]). Начала вторичных обмоток трансформаторов объеденены и образуют общий вывод преобразователя, а концы подключены соответственно к анодам диодов, катоды которых объеденены и образуют выход выпрямителя. Этот преобразователь, по мнению авторов [3], позволяет улучшить массогабаритные показатели электромагнитных элементов и снизить установленную мощность ключей. Габаритные размеры магнитных систем трансформаторов (реакторов) идентичны, что обеспечивает их плотную компановку и ведет к улучшению массогабаритных показателей. Трансформаторы выполнены двухобмоточными, что по сравнению с аналогами [1] и [2] является более технологичным. Кроме того трансформаторы (реакторы), за счет попеременной работы (в качестве фильтра всегда выступает один из реакторов), позволяют сгладить выходной ток, что в свою очередь дает возможность применять данный преобразователь без выходного фильтра, что приводит к уменьшению количества электрических контактов в выходной сильноточной цепи и соответственно к повышению КПД по сравнению с аналогами [1] и [2].

Однако получение малых выходных напряжений в этом преобразователе [3] также связано с увеличением коэффициента трансформации реакторов, что ведет к увеличению их индуктивности рассеяния, а это в свою очередь приводит также как и в [1], [2] к «мягкой» выходной характеристике преобразователя и как следствие к завышению установленной (габаритной) мощности преобразователя. Кроме того, при низких напряжениях этот преобразователь имеет низкий КПД за счет прямого падения напряжения на выпрямительных диодах. Также при реализации такого преобразователя на большие токи (сотни и тысячи ампер), требуются дорогостоящие высокочастотные полупроводниковые диоды, что в свою очередь приводит к необходимости параллельного включения диодов на меньшие токи, что приводит к ухудшению массогабаритных показателей преобразователя и неравномерному делению тока между выпрямительными диодами, что также приводит к снижению надежности преобразователя.

Из уровня техники известно устройство - «Источник питания сварочной дуги постоянного тока» [4. Патент на полезную модель РФ №91915, МПК (2006.01) B23K 9/00, Н02М 3/22, опубликовано 10.03.2010], которое является наиболее близким по технической сути к заявляемому устройству и взято за прототип. В известной полезной модели [4], с целью увеличения выходного тока, источник питания выполнен на параллельно включенных преобразователях M1-MN. Каждый из этих преобразователей в источнике питания [4] состоит из мостового инвертора, выполненного на управляемых ключах и трансформаторно-выпрямительного модуля ТВМ (в [4] назван согласующим электромагнитным блоком), содержащего два многообмоточных дросселя. Начала первичных обмоток многообмоточных дросселей объединены, а их концы подключены к выводам переменного тока инвертора. Концы вторичных обмоток дросселей объединены и образуют второй выход преобразователя, а начала вторичных обмоток дросселей подключены к первым входам полупроводниковых ключей выпрямителя - анодам диодов, катоды которых (вторые выводы полупроводниковых ключей выпрямителя) объединены и образуют первый выход преобразователя. Каждый из преобразователей M1-MN имеет блок управления, выходы которого соединены с управляемыми входами ключей инвертора. Этот источник питания [4] позволяет получить требуемое значение постоянного тока, за счет параллельного включения N преобразователей. Двухобмоточные дроссели в [4], также как и в аналоге [3], попеременно выполняют функцию фильтра, поэтому применение выходного фильтра не требуется. Сердечники магнитных систем двухобмоточных дросселей в [3, 4] идентичны, что обеспечивает их плотную компановку и ведет к уменьшению массогабаритных показателей. Требования к ключам выпрямителя по току в [4] снижены в N раз, за счет параллельного включения выходных выпрямителей, что в свою очередь позволяет использовать высокочастотные диоды на меньшие токи.

Однако получение большого тока (сотни и тысячи ампер) при низких значениях напряжения (до 50 вольт) в этом источнике питания [4], также как в аналогах [1], [2] и [3], достигается увеличением коэффициента трансформации двухобмоточных дросселей, что ведет к увеличению их индуктивности рассеяния, и в свою очередь приводит к «мягкой» выходной характеристике источника питания, а, следовательно, к завышению установленной (габаритной) мощности источника питания и как следствие к ухудшению его массогабаритных показателей. Кроме того падение напряжения на диодах [4] не позволяет получить максимально возможный КПД источника питания, а наличие N инвероров в N преобразователях приводит к ухудшению массогабаритных показателей источника питания в целом. В известном устройстве - прототипе [4] также как и в аналоге [2] наблюдается неравномерное распределение тока между преобразователями, но в отличии от [2] в прототипе [4] данный недостаток устранен (в статике) путем введения обратных связей по току, но это не гарантирует равномерного деления тока в переходных процессах (в динамике), а значит также снижает надежность преобразователя в целом.

Таким образом отмеченные выше недостатки позволяют сформулировать техническую проблему, связанную с необходимостью создания надежного преобразователя постоянного тока в постоянный ток, обеспечивающего получение большого значения выходного тока (сотни и тысячи ампер) при низких значениях напряжения (до 50 вольт) и имеющего при этом улучшенные массогабаритные показатели и повышенное значение КПД.

Техническим результатом заявляемого изобретения при решении указанной выше технической проблемы является увеличение «жесткости» выходной характеристики источника питания, и снижение его установленной (габаритной) мощности, путем снижения коэффициента трансформации каждого двухобмоточного дросселя при последовательном соединении их первичных обмоток и параллельном соединении их вторичных обмоток, при одновременном обеспечении равномерного деления тока нагрузки между всеми ТВМ и их полупроводниковыми ключами, как в статике, так и динамике.

В заявляемом изобретении техническая проблема и технический результат достигается тем, что заявляемое устройство, как и прототип, содержит мостовой инвертор, выполненный на управляемых ключах, управляющие входы которых соединены с соответствующими выходами блока управления. Преобразователь содержит также, по крайней мере, два трансформаторно-выпрямительных модуля ТВМ, каждый из которых содержит выпрямитель и два двухобмоточных дросселя. При этом начала первичных обмоток дросселей объединены, а концы их первичных обмоток образуют первый и второй выводы, являющиеся входом ТВМ. Концы вторичных обмоток дросселей объединены и образуют второй вывод выхода ТВМ. Начала вторичных обмоток дросселей подключены к анодам соответствующих диодов выпрямителя, а катоды диодов объединены и образуют первый вывод выхода ТВМ. Выходы трансформаторно-выпрямительных модулей соединены параллельно и образуют выход преобразователя.

В отличие от прототипа в заявляемом устройстве входы трансформаторно-выпрямительных модулей соединены последовательно. Первый вывод первого ТВМ и второй вывод последнего ТВМ соединены с выводами переменного тока мостового инвертора. Положительный и отрицательный выводы мостового инвертора образуют, соответственно, вход преобразователя. Выпрямители ТВМ выполнены в виде синхронных ключей, управляющие входы которых соединены с дополнительными выходами блока управления через гальванически развязанные усилители.

Совокупность существенных признаков, характеризующая заявляемое изобретение, авторами в общедоступных источниках информации не обнаружена. Это позволяет сделать вывод, что заявляемое изобретение удовлетворяет, по мнению заявителей и авторов, требованиям критерия новизна.

Изобретение явным образом для специалистов не следует из уровня техники, поскольку в известных источниках информации не обнаружены преобразователи постоянного тока в постоянный ток, которые были бы выполнены из N трансформаторно-выпрямительных модулей (по крайней мере, двух ТВМ) на основе двух двухобмоточных дросселей, причем входы ТВМ соединены последовательно, а их выходы - параллельно. В тоже время в литературе [5. Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи. - М.: Энергоатомиздат, 1986 на стр. 259 рис 7.17] известно последовательно параллельное включение ячеек (ТВМ), однако ячейки (ТВМ) в [5] выполнены на основе трансформаторов, при этом в таком преобразователе необходим выходной фильтрующий дроссель на полный ток. Кроме того в ячейках ТВМ преобразователя [5] используется мостовой выпрямитель, что увеличивает потери на полупроводниковых элементах. Поэтому выполнение источника питания на основе преобразователя [5] не позволяет получить максимально возможный КПД и ухудшает массогабаритные показатели, особенно при низких напряжениях и больших токах.

В заявляемом устройстве преобразователь содержит N ТВМ. Последовательное подключение нескольких ТВМ позволяет снизить их коэффициент трансформации равный , при неизменном общем коэффициенте трансформации преобразователя . Уменьшение коэффициентов трансформации ТВМ приводит к уменьшению индуктивностей рассеяния, и как следствие к снижению внутреннего сопротивления синхронных выпрямителей и снижению потерь выпрямленного напряжения. Также уменьшение индуктивности рассеивания приводит к увеличению «жесткости» выходной характеристики преобразователя и уменьшению его установленной (габаритной) мощности, что улучшает его массогабаритные показатели. Сердечники магнитных систем ТВМ идентичны, что обеспечивает их равномерную компоновку в рабочем объеме корпуса преобразователя. Последовательное подключение входов ТВМ обеспечивает равномерное деление выходного тока преобразователя между ними, т.к. в первичной цепи идентичных магнитных систем ТВМ протекает одинаковый (общий) ток, что гарантирует равные выходные токи ТВМ как в статике, так и в динамике. Использование синхронных выпрямителей в ТВМ снижает потери напряжения и увеличивает КПД преобразователя.

Таким образом, из уровня техники не известны преобразователи постоянного тока в постоянный ток, которые бы обеспечили высокие значения токов (сотни и тысячи ампер) и их равномерное деление между ТВМ и их полупроводниковыми ключами, а также максимально возможный КПД при малом значении выходного напряжения (до 50 вольт) при одновременном снижении массогабаритных показателей.

Техническая суть изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 и фиг. 1а показаны функциональная схема преобразователя постоянного тока в постоянный ток и принципиальная схема выполнения синхронных ключей 11, 12 соответственно; на фиг. 2 показаны временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя; на фиг. 3 приведена функциональная схема блока управления 21; на фиг. 4 приведены временные диаграммы, поясняющие работу блока управления 21.

Преобразователь постоянного тока в постоянный ток фиг. 1 содержит мостовой инвертор, выполненный на управляемых ключах 1-4. Инвертор имеет положительный В1 и отрицательный В2 выводы, которые образуют его вход, являющийся входом преобразователя, и выводы 15, 16 переменного тока, соответственно первого 1 и второго 2 ключей и третьего 3 и четвертого 4 ключей. Преобразователь также имеет N одинаковых трансформаторно-выпрямительных модулей TBM1-TBMN. Каждый из ТВМ содержит первый TV1 и второй TV2 двухобмоточные дроссели, каждый из которых имеет соответственно первичную 5, 6 и вторичную 7, 8 обмотки. Начала первичных обмоток 5, 6 объединены, а их концы образуют соответственно первый 9 и второй 10 выводы ТВМ, образующие вход ТВМ. Начала вторичных обмоток 7 и 8 подключены к анодам синхронных полупроводниковых ключей 11, 12, выполненных на транзисторе VT с управляющим входом U_VT и диоде VD (фиг. 1а), образующих синхронный выпрямитель ТВМ на ключах 11, 12 (фиг. 1). Концы вторичных обмоток 7, 8 объединены и образуют второй вывод 13 ТВМ. Катоды синхронных полупроводниковых ключей 11, 12 также объединены и образуют первый вывод 14 ТВМ. Выводы 13 и 14 являются выходом каждого ТВМ. Выходы всех ТВМ, образованные выводами 13 и 14, соединены параллельно и образуют соответственно выводы В4 и В3, которые являются выходом преобразователя. Входы всех ТВМ, образованные выводами 9 и 10 соединены последовательно, а свободные выводы, образованные первым выводом 9 первого ТВМ и вторым выводом 10 последнего ТВМ, соединены с выводами переменного тока 15, 16 мостового инвертора. Управляющие входы управляемых ключей инвертора 1-4 соединены с соответствующими выходами 17-20 блока управления 21. Выпрямители ТВМ выполнены в виде синхронных ключей, управляющие входы которых соединены с дополнительными выходами 22, 23 блока управления 21 через гальванически развязанные усилители 24, 25. Кроме того на фиг. 1 использованы обозначения: I_TBM - входной ток трансформаторно-выпрямительных модулей, I_ВЫХ - выходной ток преобразователя, протекающий через нагрузку R, подключенную к выходным клеммам преобразователя В3, В4.

На фиг. 2 представлены временные диаграммы с использованием следующих обозначений:

U₁ - U₂ - напряжения на управляющих входах управляемых ключей 1, 2 мостового инвертора;

U₃ - U₄ - напряжения на управляющих входах управляемых ключей 3, 4 мостового инвертора;

U₁₁ - напряжение на управляющих входах синхронных полупроводниковых ключей (выпрямителей) 11 всех ТВМ;

U₁₂ - напряжение на управляющих входах синхронных полупроводниковых ключей (выпрямителей) 12 всех ТВМ;

U₁₅-₁₆ - напряжение на выходе переменного тока мостового инвертора;

τ - фазовый сдвиг управляющего сигнала управляемых ключей 3-4 относительно управляющего сигнала управляемых ключей 1-2.

Функциональная схема блока управления на фиг. 3 содержит задающий генератор ЗГ - 26, генератор пилообразного напряжения ГПН - 27, компаратор К - 28, на вход которого подается сигнал с генератора ГПН - 27 и сравнивается с управляющим напряжением U_y. Логический элемент =1-29 «исключающее ИЛИ» с прямым и инверсным выходом, два двухходовых логических элемента «И» - 30, 31, логический элемент «НЕ» - 32, три двухходовых логических элемента «ИЛИ» - 33, 34, 35 и шесть двухходовых логических элемента «И» 36, 37, 38, 39, 40, 41, при этом выходы этих логических элементов 36, 37, 38, 39, 40, 41, являются соответственно выходами 17, 19, 20, 22, 23, 18 блока управления 21. При этом выход ЗГ 26 соединен со входом ГПН 27, первым входом логического элемента «исключающее ИЛИ» 29, вторым входом логического элемента «И» 30, входом логического элемента «НЕ» 32 и первым входом логического элемента «И» 36. Выход ГПН 27, подключен к первому входу компаратора 28, второй вход которого образует управляющий вход U_y блока управления 21, при этом выход компаратора 28 подключен ко второму входу логического элемента «исключающее ИЛИ» 29, инверсный выход которого подключен к первому входу логического элемента «И» 30, первому входу логического элемента «ИЛИ» 34 и первому входу логического элемента «И» 37. Прямой выход логического элемента «исключающее ИЛИ» 29 подключен к первому входу логического элемента «И» 31, ко второму входу логического элемента «ИЛИ» 35 и первому входу логического элемента «И» 38. Выход логического элемента «НЕ» 32 подключен ко второму входу логического элемента «И» 31 и первому входу логического элемента «И» 41, второй вход которого образует разрешающий вход U_R, к которому подключены все вторые входы логических элементов «И» 36, 37, 38, 39, 40, 41. Выходы логических элементов «И» 30, 31 подключены к входам двухходового логического элемента «ИЛИ» 33, выход которого соединен со вторым входом логического элемента «ИЛИ» 34, и первым входом логического элемента «ИЛИ» 35. Выход логического элемента «ИЛИ» 34 подключен к первому входу логического элемента «И» 39, а выход логического элемента «ИЛИ» 35, подключен к первому входу логического элемента «И» 40.

На фиг. 4 показаны временные диаграммы, поясняющие работу блока управления 21 с использованием обозначений: U_ЗГ - выходной сигнал задающего генератора; U_ГПН - выходной сигнал генератора пилообразного напряжения ГПН, синхронизированный с напряжением задающего генератора ЗГ; U_K - выходной сигнал компаратора К, при фиксированной величине управляющего напряжения U_У; U₌₁ - выходной сигнал логического элемента «исключающее ИЛИ».

Работа преобразователя постоянного тока в постоянный ток показана на примере конкретного выполнения. В частном случае блок управления 21 (фиг. 1) выполнен в виде микропроцессорной системы управления на базе DSP-микроконтроллера MC56F8013, который реализует фазовое управление мостовым инвертором, ключи 1-4 (фиг. 1) которого выполнены на базе IGBT-модулей SKHI22BH4R. При этом синхронные выпрямители 11-12 всех ТВМ (фиг. 1) выполнены на N-канальных MOSFET-транзисторах IRFS7434TRL7PP, а двухобмоточные дроссели TV₁ и TV₂ - на магнитопроводах из магнитомягкого нанокристаллического сплава ГМ54ДС 200. При подаче запрещающего сигнала U_R равного «0» выходные сигналы двухвходовых логических элементов «И» 36-41 (фиг. 3) также равны нулю и преобразователь не работает. При разрешающем сигнале U_R равном «1» двухвходовые логические элементы «И» 36-41 (фиг. 3) передают на свои выходы сигналы, поступающие на их первые входы. На первый вход логического элемента «И» 36 при этом поступает сигнал (U_ЗГ, фиг. 4) с выхода задающего генератора 26 (фиг. 3), а на первый вход логического элемента «И» 41 поступает инвертированный сигнал задающего генератора, прошедший через логический элемент «НЕ» 32 (фиг. 3). При этом на выходах 17, 18 логических элементов «И» 36, 41 формируются сигналы управления U₁, U₂ (фиг. 2), которые управляют ключами 1, 2 (фиг. 1) инвертора, соответственно. На первый вход логического элемента «И» 37 поступает инвертированный сигнал с выхода логического элемента «исключающее ИЛИ» 29 (фиг. 3), а на первый вход логического элемента «И» 38 поступает прямой сигнал с выхода логического элемента «исключающее ИЛИ» 29 (U₌₁, фиг. 4). При этом на выходах 19, 20 логических элементов «И» 37, 38 формируются сигналы управления U₃, U₄ (фиг. 2), которые управляют ключами 3, 4 (фиг. 1) инвертора, соответственно. Фазовый сдвиг сигналов U₃, U₄ изменяется на величину τ (фиг. 2), которая зависит от управляющего сигнала U_У (фиг. 3, 4) на выходе компаратора К 28 (фиг. 3). При этом среднее значение выходного напряжения на выходе инвертора U_15-16 (фиг. 2) будет уменьшаться, в зависимости от величины τ (фиг. 2), которая в свою очередь определяется величиной управляющего сигнала U_У (фиг. 3, фиг. 4). Изменение выходного напряжения U_15-16 при увеличении сигнала U_У показано пунктиром на фиг. 2. Сигналы управления U₁₁, U₁₂ (фиг. 2) на управляющих входах синхронных выпрямителей 11, 12 (фиг. 1) с дополнительных выходов 22, 23 блока управления 21 (фиг. 1, фиг. 3) формируются логическими элементами «И» 39, 40 (фиг. 3), за счет того, что на первый вход логического элемента «И» 39 поступает сигнал с логического элемента «ИЛИ» 34, а на первый вход логического элемента «И» 40, с логического элемента «ИЛИ» 35. При этом сигналы U₁₁, U₁₂ (фиг. 2) изменяются в зависимости от величины фазового сдвига τ, который в свою очередь, определяется величиной управляющего сигнала U_У (фиг. 3, фиг. 4). Таким образом, увеличение фазового сдвига τ, за счет изменения управляющего сигнала U_У, приводит к изменению напряжения U_15-16 на выходе инвертора и изменению величины тока I_TBM и величины тока I_ВЫХ (фиг. 1) преобразователя. При этом выходной ток I_ВЫХ преобразователя будет определяться суммой выходных токов синхронных выпрямителей всех ТВМ, что позволяет при современной элементной базе достичь его большой величины (до сотен и тысяч ампер) за счет как большого числа ТВМ, так и за счет большой величины тока каждого синхронного выпрямителя. Например, при числе N=8 ТВМ и допустимом токе синхронного выпрямителя I_доп=750 А, был получен выходной ток I_ВЫХ преобразователя 4000 А, при напряжении на выходных клеммам преобразователя В3, В4 (фиг. 1) U_ВЫХ=5 В. Максимальное выходное напряжение преобразователя будет определяться величиной допустимого напряжения на ключе синхронного выпрямителя и при использовании N- канальных MOSFET-транзисторов IRFS7434TRL7PP может достигать 40 В.

Выполнение преобразователя в виде восьми ТВМ (N=8) позволяет уменьшить индуктивность потока рассеивания каждого ТВМ на 92,5% по отношению к преобразователю с одним ТВМ на полную мощность нагрузки. Суммарная индуктивность всех ТВМ уменьшится при этом на 40%, что повышает жесткость выходной характеристики за счет уменьшения внутреннего индуктивного сопротивления преобразователя. Коэффициент трансформации каждого из восьми ТВМ при N=8 составил 12,5% по отношению к преобразователю с одним ТВМ. Суммарный коэффициент трансформации К_сум=8⋅12,5%=100% остался таким же, как и в преобразователе с одним ТВМ. Это свидетельствует о том, что напряжения на их выходах одинаковые, но индуктивность рассеивания при восьми ТВМ снижается на 40%. Последовательное соединение первичных обмоток всех ТВМ, при параллельном соединении их вторичных обмоток, обеспечивает равномерное деление выходного тока I_ВЫХ преобразователя между всеми ТВМ с точностью до 1-2%.

В заявляемом изобретении, за счет подключения одинаковых ТВМ последовательно по входу и параллельно по выходу, обеспечивается равномерное деление токов между ними как в статике, так и в динамике, что повышает надежность преобразователя постоянного тока в постоянный ток. Также подключение нескольких одинаковых ТВМ приводит к снижению их коэффициента трансформации и снижению индуктивности рассеивания, что улучшает массогабаритные показатели преобразователя. Использование синхронных выпрямителей снижает потери выпрямленного напряжения при формировании больших значений выходного тока (сотни и тысячи ампер) и низких значениях напряжения нагрузки (до 50 вольт), что увеличивает КПД преобразователя.

Таким образом, в заявляемом изобретении достигается требуемый технический результат и решается сформулированная техническая проблема.

Преобразователь постоянного тока в постоянный ток относится к области электротехники и может быть использован в силовой преобразовательной технике, электрохимии, для питания сверхпроводящих накопителей, для быстрой зарядки аккумуляторов электротранспорта. Техническим результатом является увеличение «жесткости» выходной характеристики источника питания и снижение его установленной мощности путем снижения коэффициента трансформации каждого двухобмоточного дросселя. Технический результат достигается тем, что преобразователь содержит мостовой инвертор, выполненный на управляемых ключах, управляющие входы которых соединены с соответствующими выходами блока управления. Инвертор имеет положительный и отрицательный выводы, которые образуют его вход, являющийся входом преобразователя, и два вывода переменного тока управляемых ключей. Преобразователь имеет также N трансформаторно-выпрямительных модулей (ТВМ). Каждый из ТВМ содержит два двухобмоточных дросселя и выпрямитель, выполненный на двух полупроводниковых синхронных ключах, управляющие входы которых соединены с дополнительными выходами блока управления через гальванически развязанные усилители. Начала первичных обмоток дросселей объединены, а их концы образуют соответственно первый и второй выводы ТВМ, образующие вход ТВМ. Начала вторичных обмоток дросселей подключены к анодам синхронных ключей. Концы вторичных обмоток дросселей объединены и образуют второй вывод ТВМ. Катоды синхронных полупроводниковых ключей также объединены и образуют первый вывод ТВМ. Первый и второй выводы ТВМ образуют выход каждого ТВМ, которые соединены параллельно и образуют выход преобразователя. Входы всех ТВМ соединены последовательно. Свободные выводы, образованные первым выводом первого ТВМ и вторым выводом последнего ТВМ, соединены с выводами переменного тока мостового инвертора. 4 ил.

Преобразователь постоянного тока в постоянный ток, содержащий мостовой инвертор, выполненный на управляемых ключах, управляющие входы которых соединены с соответствующими выходами блока управления, и, по крайней мере, два трансформаторно-выпрямительных модуля (ТВМ), каждый из которых содержит выпрямитель и два двухобмоточных дросселя, при этом начала первичных обмоток дросселей объединены, а концы их первичных обмоток образуют первый и второй выводы, являющиеся входом ТВМ, концы вторичных обмоток дросселей объединены и образуют второй вывод выхода ТВМ, при этом начала вторичных обмоток дросселей подключены к анодам соответствующих диодов выпрямителя, а катоды диодов объединены и образуют первый вывод выхода ТВМ, а выходы трансформаторно-выпрямительных модулей соединены параллельно и образуют выход преобразователя, отличающийся тем, что входы трансформаторно-выпрямительных модулей соединены последовательно, первый вывод первого ТВМ и второй вывод последнего ТВМ соединены с выводами переменного тока мостового инвертора, а положительный и отрицательный выводы мостового инвертора образуют, соответственно, вход преобразователя, при этом выпрямители ТВМ выполнены в виде синхронных ключей, управляющие входы которых соединены с дополнительными выходами блока управления через гальванически развязанные усилители.