Преобразователь постоянного напряжения
Устройство предназначено для преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение средней мощности с гальванической развязкой цепей. На входе подключены параллельно низкочастотный фильтр (1), датчик напряжения (2) и инвертор на четырех биполярных транзисторах с изолированным затвором (3, 4, 5, 6), каждый из которых имеет обратные параллельные диод и паразитную емкость. Выводы первичной обмотки трансформатора (7) подключены к средним точкам инвертора, выводы вторичной обмотки трансформатора (7) подключены к средним точкам мостового диодного выпрямителя (8), к выходу которого параллельно подключена демпфирующая схема (9) и индуктивно-емкостный фильтр (10). Датчик напряжения 2 измеряет входное напряжение и непрерывно выдает сигнал на АЦП пик-контроллера (11), который формирует последовательности импульсов управления для открытия каждого из биполярных транзисторов с изолированным затвором в моменты времени, когда напряжение на открываемом транзисторе приближается к нулю, что уменьшает амплитуду импульса тока из паразитной емкости транзистора и приводит к уменьшению энергии потерь при высокочастотном переключении и к повышению КПД и надежности работы преобразователя средней мощности 1-10 кВт. 1 ил.
Полезная модель относится к электротехнике, в частности к высокочастотным преобразователям постоянного напряжения средней мощности с гальванической развязкой цепей, и может быть использована в электрических схемах различных источников питания постоянным током.
Известные схемы преобразователей постоянного напряжения в постоянное содержат инверторы с одним ключом, трансформатор и выпрямитель (RU 2228572 С1, 7 МПК Н02М 3/335, опубл. 2004.05.10) /1/, (SU 1817627, 7 МПК Н02М 3/135, опубл. 2000.05.10) /2/ и инверторы с двумя ключами, трансформатор и выпрямитель (SU 1561790 А1, МПК Н02М 3/337, опубл. 2006.07.10) /3/. Известные преобразователи рассчитаны на работу с нагрузками малой мощности менее 1 кВт, что обусловлено большими потерями мощности в трансформаторных преобразователях, инверторы которых построены на одном или на двух ключах и отсутствием схемы подавления высокочастотных выбросов напряжения на выпрямителе.
Задача увеличения мощности потребляемой нагрузкой решена в преобразователе постоянного напряжения, который содержит трансформатор, первичная обмотка которого присоединена к сети через управляемые полупроводниковые инвертирующие ключи, включенные по мостовой схеме, а вторичная обмотка подключена к нагрузке через полупроводниковый выпрямитель и сглаживающий индуктивно-емкостный фильтр (Р.Северне, Г.Блум. Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания; пер. с англ. Под ред. Л.Е.Смольникова. - М.: Энергоатомиздат, 1988, стр.73-76) /4/. Индуктивно-емкостный фильтр ограничивает амплитуду тока выпрямителя, позволяет уменьшить габариты трансформатора и зависимость выходного тока напряжения от нагрузки.
Недостатком преобразователей с индуктивно-емкостным фильтром является повышенная установленная мощность и габариты диодов и наличие высокочастотных помех в цепи источника питания из-за перенапряжений на диодах, вызванных высокочастотными колебаниями на фронтах импульсов напряжения, обусловленных высокочастотной коммутацией инвертирующих ключей и резким изменением обратных токов диодов, проходящих через паразитные индуктивности и емкости цепи - трансформатор-выпрямитель. Высокочастотные колебания напряжения на диодах создают значительные помехи в цепях питания.
Указанные недостатки устранены в преобразователе постоянного напряжения (RU 2283530 С1, МПК Н02М 3/335, опубл. 2006.08.09) /5/, который совпадает с заявляемым техническим решением по большинству существенных признаков и принят за прототип.
Известный преобразователь содержит трансформатор, первичная обмотка которого присоединена к сети через управляемые инвертирующие ключи, собранные по мостовой схеме, а вторичная обмотка подключена к нагрузке через полупроводниковый выпрямитель и сглаживающий индуктивно-емкостный фильтр, между выпрямителем и фильтром включена параллельная демпфирующая цепь, состоящая из последовательно соединенных конденсатора и диода, между индуктивностью и емкостью фильтра параллельно нагрузке включена цепь из дросселя и диода.
Применение в известном преобразователе демпфирующей цепи позволило уменьшить габариты и стоимость преобразователя за счет снижения установленной мощности выпрямительных диодов, на которых уменьшены перенапряжения, обусловленные высокочастотной коммутацией инвертирующих ключей и резким изменением обратных токов диодов, проходящих через паразитные емкости и индуктивности трансформаторно-выпрямительной цепи и вызывающих высокочастотные колебания на вершине импульсов выпрямленного напряжения. Поскольку энергия, накопленная в демпфирующей цепи, после фильтрации не выделяется в виде потерь, а
отдается нагрузке, сохраняется высокий КПД преобразователя. Применение в демпфирующей цепи отдельного дросселя, установленного параллельно фильтровой индуктивности, позволяет применять устройство в преобразователях повышенной мощности.
Однако в известном преобразователе при высокочастотной коммутации инвертирующие ключи открываются при амплитуде напряжения, равной входному напряжению питания преобразователя. Открытие ключа при высоком напряжении сопровождается возникновением короткого импульса тока паразитной емкости ключа, что приводит к дополнительным потерям мощности и снижению КПД и вероятности выхода из строя ключей в процессе высокочастотного переключения и снижению надежности.
Задачей заявляемой полезной модели является повышение КПД и надежности преобразователя постоянного напряжения средней мощности за счет уменьшения энергии потерь при высокочастотном переключении ключевых инвертирующих элементов.
Поставленная задача решается тем, что в известном преобразователе постоянного напряжения, содержащем трансформатор, первичная обмотка которого присоединена к сети через инвертор, содержащий управляемые ключи, собранные по мостовой схеме, а вторичная обмотка подключена к нагрузке через полупроводниковый выпрямитель и сглаживающий индуктивно-емкостный фильтр, между выпрямителем и фильтром включена параллельная демпфирующая цепь, согласно полезной модели, на входе преобразователя параллельно подключены низкочастотный фильтр и датчик напряжения, к выходу которого подключен пик-контроллер, имеющий четыре дискретных выхода, которые подключены к соответствующим входам драйвера гальванической развязки входных и выходных управляющих сигналов, инвертор содержит четыре ключа, выполненные на биполярных транзисторах с изолированным затвором, каждый из которых имеет обратные параллельные диод и паразитную емкость, а выходы драйвера подключены к изолированным затворам биполярных транзисторов.
Датчик напряжения, включенный параллельно низкочастотному фильтру на входе преобразователя, измеряет входное напряжение и непрерывно выдает сигнал, пропорциональный входному напряжению на АЦП пик-контроллера. Пик-контроллер формирует последовательности импульсов управления для открытия каждого из ключей в моменты времени, когда напряжение на открываемом ключе приближается к нулю, что уменьшает амплитуду импульса тока паразитной емкости ключа, и приводит к уменьшению энергии потерь при высокочастотном переключении ключей и, следовательно, к повышению КПД и надежности работы преобразователя.
На чертеже изображена принципиальная схема заявляемого преобразователя постоянного напряжения.
Преобразователь содержит подключенные параллельно к сети постоянного напряжения низкочастотный фильтр 1 и датчик напряжения 2. Инвертор содержит четыре ключа 3, 4, 5, 6, собранные по мостовой схеме и выполненные на биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT-транзисторах), каждый из которых имеет обратные параллельные диод и паразитную емкость. Выводы первичной обмотки трансформатора 7 подключены к средним точкам инвертора, выводы вторичной обмотки трансформатора 7 подключены к средним точкам мостового диодного выпрямителя 8, к выходу которого параллельно подключена демпфирующая схема 9 и индуктивно-емкостный фильтр 10. Выход датчика напряжения 2 подключен к пик-контроллеру 11, четыре дискретных выхода которого подключены к соответствующим входам драйвера гальванической развязки входных и выходных управляющих сигналов 12, выходы которого подключены к изолированным затворам биполярных транзисторов ключей 3, 4, 5, 6.
Постоянное напряжение от сети поступает на низкочастотный фильтр 1 и преобразуется управляемыми ключами 3, 4, 5, 6 в последовательность знакопеременных высокочастотных импульсов напряжения, которое поступает на первичную обмотку трансформатора 7, осуществляющую
гальваническую развязку напряжения питания, а с вторичной обмотки трансформатора 7 знакопеременное высокочастотное напряжение преобразуется в мостовом диодном выпрямителе 8 в однополярную последовательность высокочастотных импульсов напряжения. В демпфирующей цепи 9 происходит гашение высокочастотных выбросов напряжения, при этом последовательность высокочастотных однополярных импульсов сглаживается и преобразуется в индуктивно-емкостном фильтре 10 в постоянное напряжение. Датчик напряжения 2 преобразует постоянное входное напряжение в гальванически развязанное выходное напряжение, которое поступает на вход АЦП пик-контроллера 11, в котором вычисляется время выключенного состояния управляемых ключей 3, 4, 5, 6 как ¼ времени колебательного процесса в паразитной емкости каждого ключа и производится оценка выходного напряжения датчика 2. Сформированные импульсы управления поступают на четыре входа драйвера гальванической развязки входных и выходных управляющих сигналов 12, который управляют ключами 3, 4, 5, 6. Пик-контроллер 12 формирует последовательности импульсов управления для открытия каждого из ключей в моменты времени, когда напряжение на открываемом ключе приближается к нулю, что уменьшает амплитуду импульса тока паразитной емкости ключа и потери при высокочастотном переключении ключей и, следовательно, повышает КПД и надежность работы преобразователя при нагрузках 1-10 кВт.
Источники информации:
1. RU 2228572 C1, 7 МПК Н02М 3/335, опубл. 2004.05.10.
2. SU 1817627, 7 МПК Н02М 3/135, опубл. 2000.05.10.
3. SU 1561790 А1, МПК Н02М 3/337, опубл. 2006.07.10.
4. Р.Северне, Г.Блум. Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания; пер. с англ. Под ред. Л.Е.Смольникова. - М.: Энергоатомиздат, 1988, стр.73-76.
5. RU 2283530 C1, МПК Н02М 3/35, опубл. 2006.08.09 - прототип.
Преобразователь постоянного напряжения, содержащий трансформатор, первичная обмотка которого присоединена к сети через инвертор, содержащий управляемые ключи, собранные по мостовой схеме, а вторичная обмотка подключена к нагрузке через полупроводниковый выпрямитель и сглаживающий индуктивно-емкостный фильтр, между выпрямителем и фильтром включена параллельная демпфирующая цепь, отличающийся тем, что на входе преобразователя параллельно включены низкочастотный фильтр и датчик напряжения, соединенный с пик-контроллером, четыре дискретных выхода которого подключены к соответствующим входом драйвера гальванической развязки входных и выходных управляющих сигналов, инвертор содержит четыре управляемых ключа, выполненные на биполярных транзисторах с изолированным затвором, каждый из которых имеет обратные параллельные диод и паразитную емкость, а выходы драйвера подключены к затворам биполярных транзисторов.
