RU137692U1

RU137692U1 - HIGH VOLTAGE INPUT CONVERTER (VARIANTS)

Info

Publication number: RU137692U1
Application number: RU2013143554/07U
Authority: RU
Inventors: Алексей Сергеевич Анучин
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2014-02-27

Abstract

1. Понижающий преобразователь с входом высокого напряжения, содержащий источник питания постоянного тока, параллельно включенные входной конденсатор и цепь из ключевого элемента (транзистора) и диода, а также выходной LC-фильтр, образованный конденсатором и дросселем, отличающийся тем, что согласно полезной модели в него введены включенные параллельно второй входной конденсатор и вторая цепь из ключевого элемента (транзистора) и диода, при этом один вывод дросселя LC-фильтра подключен к общей точке ключевого элемента и диода одной из упомянутых цепей, а общая точка дросселя и конденсатора LC-фильтра и второй вывод конденсатора, соединенный с общей точкой ключевого элемента и диода второй из упомянутых цепей, служат выходами преобразователя.2. Понижающий преобразователь с входом высокого напряжения, содержащий источник питания постоянного тока, параллельно включенные входной конденсатор и цепь из ключевого элемента (транзистора) и диода, а также выходной LC-фильтр, образованный конденсатором и дросселем, отличающийся тем, что согласно полезной модели в него введены включенные параллельно второй входной конденсатор и вторая цепь из ключевого элемента (транзистора) и диода, а также второй LC-фильтр, при этом общая точка входных конденсаторов соединена с общей точкой разноименных выводов диодов и общей точкой конденсаторов двух LC-фильтров, дроссели LC-фильтров порознь подключены к другим разноименным выводам диодов, а общие точки конденсатора и дросселя каждого из LC-фильтров служат выходами преобразователя.1. A step-down converter with a high voltage input, comprising a DC power source, an input capacitor and a circuit of a key element (transistor) and a diode, as well as an LC output filter formed by a capacitor and a choke, parallel in which, according to the utility model, a second input capacitor and a second circuit from a key element (transistor) and a diode connected in parallel are introduced, while one terminal of the LC filter choke is connected to a common point of the key element and the diode of one of the mentioned closed circuits, and the common point of the throttle and capacitor of the LC filter and the second output of the capacitor connected to the common point of the key element and the diode of the second of these circuits serve as the outputs of the converter. 2. A step-down converter with a high voltage input, containing a DC power source, an input capacitor and a circuit from a key element (transistor) and a diode, as well as an output LC filter formed by a capacitor and a choke, parallel in which, according to a utility model, are introduced into it connected in parallel to the second input capacitor and the second circuit of the key element (transistor) and the diode, as well as the second LC filter, while the common point of the input capacitors is connected to the common point of unlike the diode terminals and the common point of the capacitors of the two LC filters, the LC filter chokes are separately connected to other unlike diode terminals, and the common capacitor and choke points of each of the LC filters serve as converter outputs.

Description

Предложение относится к электротехнике и может быть использовано при разработке устройств, обеспечивающих понижение напряжения питания с высокого уровня на низкий уровень, выполненных на низковольтных транзисторах.The proposal relates to electrical engineering and can be used in the development of devices for lowering the supply voltage from a high level to a low level, made on low-voltage transistors.

Известен DC/DC преобразователь с источником питания постоянного тока на входе, содержащий включенные последовательно транзисторы и диоды, каждый из которых шунтирован RC-цепочкой [1]. Нагрузка к преобразователю подключена через выходной LC-фильтр, дроссель которого соединен с отрицательным выводом преобразователя. Регулирование напряжения на выходе преобразователя осуществляется путем коммутации транзистора. Недостатком такого преобразователя является то, что транзисторы выбираются по уровню входного напряжения, поэтому с ростом входного напряжения требуются транзисторы с большим номинальным напряжением. Для защиты от перенапряжений на транзисторе параллельно ему подключена RC цепочка. Увеличение напряжения на транзисторе приводит к увеличению динамических потерь на переключение.Known DC / DC Converter with a DC power source at the input, containing sequentially connected transistors and diodes, each of which is shunted by an RC circuit [1]. The load to the converter is connected through the output LC filter, the inductor of which is connected to the negative terminal of the converter. The voltage regulation at the converter output is carried out by switching the transistor. The disadvantage of this converter is that the transistors are selected according to the input voltage level, therefore, with an increase in the input voltage, transistors with a large nominal voltage are required. To protect against overvoltage on the transistor, an RC circuit is connected in parallel to it. An increase in voltage across the transistor leads to an increase in dynamic switching losses.

Известен также DC/DC преобразователь с источниками постоянного тока на входе, содержащий включенные последовательно транзисторы, каждый из которых шунтирован диодом [2]. Нагрузка к преобразователю подключена через выходной LC-фильтр, дроссель которого соединен с отрицательным выводом преобразователя. Для обеспечения возможности использования этого преобразователя на высокие входные напряжения в нем имеется два независимых источника питания, общая точка которых соединена с общей точкой двух последовательно включенных диодов. Недостатком такой схемы является необходимость двух независимых источников питания и сложность схемы, обусловленная большим количеством элементов.Also known is a DC / DC converter with direct current sources at the input, containing transistors connected in series, each of which is shunted by a diode [2]. The load to the converter is connected through the output LC filter, the inductor of which is connected to the negative terminal of the converter. To ensure the possibility of using this converter for high input voltages, it has two independent power sources, the common point of which is connected to the common point of two series-connected diodes. The disadvantage of this scheme is the need for two independent power sources and the complexity of the circuit due to the large number of elements.

Ближайшим к предлагаемому является понижающий преобразователь с входом высокого напряжения, содержащий источник питания постоянного тока, параллельно включенные входной конденсатор и цепь из ключевого элемента (транзистора) и диода, а также выходной LC-фильтр [3]. Дроссель низкочастотного фильтра может быть соединен как с положительным, так и с отрицательным выводом ключевого элемента, а выводы конденсатора фильтра являются выходами преобразователя. Регулирование напряжения осуществляется путем коммутации транзистора методом широтно-импульсной модуляции, в релейном режиме или комбинацией методов.Closest to the proposed is a step-down converter with a high voltage input, containing a DC power source, an input capacitor and a circuit from a key element (transistor) and a diode, and also an LC output filter [3], connected in parallel. The low-pass filter choke can be connected to either the positive or negative terminal of the key element, and the terminals of the filter capacitor are the outputs of the converter. Voltage regulation is carried out by switching the transistor by pulse width modulation, in relay mode or by a combination of methods.

Основным недостатком известных схем преобразователя является то, что транзисторы выбираются по уровню входного напряжения, поэтому с ростом входного напряжения требуются транзисторы с большим номинальным напряжением. Увеличение напряжения транзистора ведет к увеличению динамических потерь на переключение и требует снижения частоты коммутаций, росту габаритов дросселей и емкостей конденсаторов выходного фильтра. Увеличение напряжения транзистора ограничено также номенклатурой выпускаемых изделий.The main disadvantage of the known converter circuits is that the transistors are selected according to the input voltage level, therefore, with an increase in the input voltage, transistors with a higher nominal voltage are required. An increase in the transistor voltage leads to an increase in dynamic switching losses and requires a decrease in the switching frequency, an increase in the dimensions of the chokes and capacitances of the capacitors of the output filter. The increase in transistor voltage is also limited by the range of products.

Предложение решает задачу расширения диапазона допустимых входных напряжений.The proposal solves the problem of expanding the range of permissible input voltages.

Технический эффект, возникающий при решении поставленной задачи, заключается в уменьшении напряжения на ключевых элементах и достигается тем, что в известный преобразователь, содержащий источник питания постоянного тока, параллельно включенные входной конденсатор и цепь из ключевого элемента (транзистора) и диода, а также выходной LC-фильтр, образованный конденсатором и дросселем, введены включенные параллельно второй входной конденсатор и вторая цепь из ключевого элемента (транзистора) и диода, при этом один вывод дросселя LC-фильтра подключен к общей точке ключевого элемента и диода одной из упомянутых цепей, а общая точка дросселя и конденсатора LC-фильтра и второй вывод конденсатора, соединенный с общей точкой ключевого элемента и диода второй из упомянутых цепей, служат выходами преобразователя.The technical effect that arises when solving the problem is to reduce the voltage on the key elements and is achieved by the fact that in a known converter containing a DC power source, an input capacitor and a circuit from a key element (transistor) and a diode, as well as an output LC, are parallel connected filter formed by a capacitor and a choke, a second input capacitor and a second circuit of a key element (transistor) and a diode connected in parallel are introduced, while one output of the LC filter choke is connected to the common point of the key element and the diode of one of the mentioned circuits, and the common point of the throttle and capacitor of the LC filter and the second output of the capacitor connected to the common point of the key element and the diode of the second of these circuits serve as the outputs of the converter.

По второму варианту технический эффект, возникающий при решении поставленной задачи, заключается в уменьшении напряжения на ключевых элементах и достигается также тем, что в известный преобразователь, содержащий источник питания постоянного тока, параллельно включенные входной конденсатор и цепь из ключевого элемента (транзистора) и диода, а также выходной LC-фильтр, образованный конденсатором и дросселем, введены включенные параллельно второй входной конденсатор и вторая цепь из ключевого элемента (транзистора) и диода, а также второй LC-фильтр, при этом общая точка входных конденсаторов соединена с общей точкой разноименных выводов диодов и общей точкой конденсаторов двух LC-фильтров, дроссели LC-фильтров подключены порознь к другим разноименным выводам диодов, а общие точки конденсатора и дросселя каждого из LC-фильтров служат выходами преобразователя.According to the second option, the technical effect that arises when solving the problem posed is to reduce the voltage on the key elements and is also achieved by the fact that in a known converter containing a DC power source, an input capacitor and a circuit from a key element (transistor) and a diode are connected in parallel, as well as an output LC filter formed by a capacitor and a choke, a second input capacitor and a second circuit of a key element (transistor) and a diode connected in parallel, as well as a second LC filter, while the common point of the input capacitors is connected to the common point of the opposite terminals of the diodes and the common point of the capacitors of the two LC filters, the chokes of the LC filters are connected separately to the other opposite terminals of the diodes, and the common points of the capacitor and choke of each of the LC filters converter outputs.

Предложение поясняется чертежами, где на фиг. 1 и фиг. 2 приведены схемы предлагаемых преобразователей по первому и второму вариантам соответственно.The proposal is illustrated by drawings, where in FIG. 1 and FIG. 2 shows a diagram of the proposed converters for the first and second options, respectively.

Понижающий преобразователь с входом высокого напряжения (фиг. 1) содержит источник питания постоянного тока 1, параллельно включенные входной конденсатор 2 и цепь из ключевого элемента (транзистора) 3 и диода 4, выходной LC фильтр, образованный конденсатором 5 и дросселем 6, а также включенные параллельно второй входной конденсатор 7 и вторая цепь из ключевого элемента (транзистора) 8 и диода 9, при этом один вывод дросселя 6 LC-фильтра подключен к общей точке ключевого элемента 3 и диода 4 (или ключевого элемента 8 и диода 9), а общая точка дросселя 6 и конденсатора 5 LC-фильтра и второй вывод конденсатора 5, соединенный с общей точкой ключевого элемента 8 и диода 9 (или ключевого элемента 3 и диода 4) второй из упомянутых цепей, служат выходами преобразователя.The step-down converter with a high voltage input (Fig. 1) contains a DC power supply 1, an input capacitor 2 and a circuit from a key element (transistor) 3 and a diode 4 connected in parallel, an LC output filter formed by a capacitor 5 and a choke 6, and also included parallel to the second input capacitor 7 and the second circuit of the key element (transistor) 8 and diode 9, while one output of the choke 6 of the LC filter is connected to the common point of the key element 3 and diode 4 (or key element 8 and diode 9), and the common throttle point 6 and condensers LC-filter 5 and a second terminal of the capacitor 5 connected to the junction core element 8 and the diode 9 (or core member 3 and a diode 4) of the second of said chains serve converter outputs.

Понижающий преобразователь с входом высокого напряжения (фиг. 2) содержит источник питания постоянного тока 1, параллельно включенные входной конденсатор 2 и цепь из ключевого элемента (транзистора) 3 и диода и выходной LC-фильтр, образованный конденсатором 5 и дросселем 6, а также включенные параллельно второй входной конденсатор 7 и вторая цепь из ключевого элемента (транзистора) 8 и диода 9, а также второй LC-фильтр, образованный дросселем 10 и конденсатором 11, при этом общая точка входных конденсаторов 2 и 7 соединена с общей точкой разноименных выводов диодов 4 и 9 и общей точкой конденсаторов 5 и 11 двух LC-фильтров, дроссели LC-фильтров порознь подключены к другим разноименным выводам диодов, а общие точки конденсатора 5 и дросселя 6, конденсатора 11 и дросселя 10 служат выходами преобразователя.The step-down converter with a high voltage input (Fig. 2) contains a DC power supply 1, an input capacitor 2 and a circuit from a key element (transistor) 3 and a diode and an LC output filter formed by a capacitor 5 and a choke 6, and also included parallel to the second input capacitor 7 and the second circuit of the key element (transistor) 8 and diode 9, as well as a second LC filter formed by the inductor 10 and the capacitor 11, while the common point of the input capacitors 2 and 7 is connected to the common point of the opposite the conclusions of the diodes 4 and 9 and the common point of the capacitors 5 and 11 of the two LC filters, the LC chokes of the filters are separately connected to the other opposite terminals of the diodes, and the common points of the capacitor 5 and the choke 6, the capacitor 11 and the choke 10 serve as the outputs of the converter.

Работают преобразователи следующим образом.Converters work as follows.

В понижающем преобразователе с входом высокого напряжения (фиг. 1) на ключевые элементы (транзисторы) подается напряжение постоянного тока от источника 1, которое распределяется между конденсаторами 2 и 7, при этом каждый ключевой элемент работает на пониженном напряжении. Если управление ключами 3 и 8 одинаковое (управление выполняется с одинаковыми скважностями ШИМ) и элементы схемы (ключи 3 и 8 и диоды 4 и 9) одинаковы, то входное напряжение поделится поровну, ток общего провода между общей точкой конденсаторов 2 и 7 и общей точкой диодов 4 и 9 будет равен нулю. Выходное напряжение, снимаемое с выводов конденсатора может изменяться от нуля до входного напряжения. В этом случае при меньшем напряжении на ключах LC-фильтр имеет стандартное исполнение.In a step-down converter with a high voltage input (Fig. 1), DC voltage from the source 1 is supplied to the key elements (transistors), which is distributed between the capacitors 2 and 7, while each key element operates at a reduced voltage. If the control of keys 3 and 8 is the same (control is performed with the same PWM duty cycles) and the circuit elements (keys 3 and 8 and diodes 4 and 9) are the same, then the input voltage will be divided equally, the current of the common wire between the common point of capacitors 2 and 7 and the common point diodes 4 and 9 will be zero. The output voltage taken from the terminals of the capacitor can vary from zero to the input voltage. In this case, with a lower voltage on the keys, the LC filter has a standard design.

Понижающий преобразователь с входом высокого напряжения (фиг. 2) по сути состоит из двух преобразователей, соединенных последовательно в точке общих проводов. Преобразователи могут работать независимо, либо синхронно, понижая входное напряжение. Напряжение входа поделится на конденсаторах 2 и 7, и каждый из ключевых элементов будет работать на пониженном напряжении. Если управление ведется с одинаковыми скважностями, а элементы в обоих преобразователях одинаковые, то напряжение поделится ровно пополам. Выходное напряжение, снимаемое с выводов конденсаторов 5 и 11, может изменяться от нуля до входного напряжения.The step-down converter with a high voltage input (Fig. 2) essentially consists of two converters connected in series at the point of common wires. The converters can operate independently or synchronously, lowering the input voltage. The input voltage will be shared on capacitors 2 and 7, and each of the key elements will operate at reduced voltage. If the control is carried out with the same duty cycle, and the elements in both converters are the same, then the voltage will be divided exactly in half. The output voltage taken from the terminals of the capacitors 5 and 11 may vary from zero to the input voltage.

Предлагаемые преобразователи могут применяться на транспорте, например, в метрополитене, где напряжение питающей сети меняется в диапазоне от 550 до 1100 В, что требует применения транзисторов на 1700 В. Предлагаемые преобразователи с использованием транзисторов на 1200 В будут иметь преимущество по частоте коммутации транзисторов и уменьшенным габаритам выходного фильтра, а также по запасу рабочего входного напряжения - 2400 В против 1700 В.The proposed converters can be used in transport, for example, in the subway, where the voltage of the mains varies from 550 to 1100 V, which requires the use of transistors at 1700 V. The proposed converters using transistors at 1200 V will have an advantage in the frequency of switching transistors and reduced dimensions of the output filter, as well as the supply of working input voltage - 2400 V against 1700 V.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВLIST OF USED SOURCES

1. Гончаров А. Начальная школа построения импульсных dc-dc преобразователей / Электронные компоненты. 2002, №2.1. Goncharov A. Elementary school building pulsed dc-dc converters / Electronic components. 2002, No. 2.

2. Остриров В.Н. Влияние силовой электроники на развитие электропривода / Электропривод и развитие техники: докл. науч.-метод. семинара. - М.: Издательский дом МЭИ, 2012.2. Ostrov V.N. The influence of power electronics on the development of the electric drive / Electric drive and the development of technology: dokl. scientific method. a workshop. - M.: Publishing House MPEI, 2012.

3. Остриров В.Н. Проектирование электронных преобразователей для регулируемых электроприводов. - М.: Издательский дом МЭИ, 2008, с. 56.3. Ostrov V.N. Design of electronic converters for controlled electric drives. - M.: Publishing House MPEI, 2008, p. 56.

Claims

1. A step-down converter with a high voltage input, comprising a DC power source, an input capacitor and a circuit of a key element (transistor) and a diode, as well as an LC output filter formed by a capacitor and a choke, parallel in which, according to the utility model, a second input capacitor and a second circuit from a key element (transistor) and a diode connected in parallel are introduced, while one terminal of the LC filter choke is connected to a common point of the key element and the diode of one of the mentioned closed circuits, and the common point of the throttle and capacitor of the LC filter and the second output of the capacitor connected to the common point of the key element and the diode of the second of the mentioned circuits serve as outputs of the converter.

2. A step-down converter with a high voltage input, comprising a direct current power source, an input capacitor and a circuit from a key element (transistor) and a diode, and an LC output filter formed by a capacitor and a choke, parallel in which, according to the utility model, a second input capacitor and a second circuit from a key element (transistor) and a diode are connected in parallel, as well as a second LC filter, while the common point of the input capacitors is connected to the common point of the opposite x findings diodes and the common point of the two capacitors LC-filters, LC-filters inductors separately connected to the other opposite terminals of diodes and the common point of the capacitor and the inductor of each LC-filters serve converter outputs.