RU2182397C2 - Преобразователь с последовательным резонансным инвертором - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано, например, в источниках вторичного электропитания, преобразователях для дуговой сварки постоянным током. Технический результат заключаетcя в увеличении диапазона изменения выходного тока и выходной мощности преобразователя. В преобразователе с последовательным резонансным инвертором, содержащим силовые ключи, образующие мост, к одной диагонали которого подключен источник входного напряжения, к другой - соединенные последовательно конденсатор, дроссель и первичная обмотка силового трансформатора, вторичная обмотка которого через выпрямитель и емкостный фильтр подключена к выходным выводам преобразователя, и шунтирующие силовые ключи обратные ключи, одна из общих точек соединения пары обратных ключей подключена к общей точке соединения силовых ключей соответствующего полумоста через дополнительный источник э.д.с. с изменяющейся полярностью. Дополнительный источник э.д.с. может быть выполнен в виде первичной обмотки дополнительного трансформатора, вторичная обмотка которого через вспомогательный выпрямитель подключена к выходным или к входным выводам преобразователя. 5 з.п. ф-лы, 8 ил.

Description

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано, например, в источниках вторичного электропитания, преобразователях для дуговой сварки постоянным током.

Известен преобразователь с последовательным резонансным инвертором с обратными диодами (см. , например: 1. Mс. Murray W. The thyristor electronic transformer. A power converter using a highfrequency link. - IEEE Trans. Ind. and Gen. Appl. 1971. Vol. 7, 4. P. 451-457; 2. Белов Г.А. Высокочастотные тиристорно-транзисторные преобразователи постоянного напряжения. - М. : Энергоатомиздат, 1987. - 120 с.), содержащий в общем случае четыре ключевых элемента, шунтированных обратными диодами и образующих мост, к первой диагонали которого подключен источник входного напряжения, а ко второй - последовательная цепь из коммутирующего дросселя, конденсатора и первичной обмотки силового трансформатора, вторичная обмотка которого через выпрямитель и сглаживающий емкостный фильтр соединена с выходными выводами преобразователя. Собственная частота ω₀ колебательного контура не менее чем в два раза превышает частоту ω = 2πf работы инвертора (f - частота переключения силовых ключей), а внешняя характеристика имеет крутопадающий участок (см. Белов Г. А. Высокочастотные тиристорно-транзисторные преобразователи..., с. 8, 9, 15, 16).

Одним из недостатков преобразователя является ограниченный диапазон изменения выходного тока (выходной мощности). Приведенный к первичной обмотке силового трансформатора граничный ток нагрузки I'_н.гр, при котором начинают проводить обратные диоды и начинается крутопадающий участок внешней характеристики преобразователя, определяется выражением (см. Белов Г.А. Высокочастотные тиристорно-транзисторные...)
I'_н.гр=4fC_кЕ_вх(1+k), (1)
где f - частота переключения силовых ключей инвертора; С_к - емкость коммутирующего конденсатора; Е_вх - входное напряжение преобразователя;

коэффициент, зависящий от добротности Q колебательного контура;

; L= L_к+L_S - суммарная индуктивность колебательного контура, складывающаяся из индуктивности L_к коммутирующего дросселя и суммарной индуктивности рассеяния L_s силового трансформатора; r - суммарное активное сопротивление контура, учитывающее активные потери в обмотках дросселя и трансформатора, дифференциальные сопротивления включенных силовых ключей инвертора и приведенные к первичной обмотке силового трансформатора дифференциальные сопротивления открытых диодов выпрямителя; α = r/2L;

собственная частота колебательного контура.

С увеличением частоты f переключения силовых ключей инвертора необходимо соответственно увеличивать и собственную частоту ω₀ колебательного контура, уменьшая индуктивность L или емкость С_к контура. Поскольку индуктивность L ограничена снизу индуктивностью рассеяния L_s силового трансформатора, то в необходимых случаях приходится уменьшать емкость С_к контура, что ведет к уменьшению максимальной выходной мощности преобразователя

(η - КПД преобразователя). Действительно, пусть ω₀= 2•2πf, L=L_s. Тогда, учитывая, что

получаем:

Подставив полученное значение С_к в (1), получим максимально достижимый при заданных f, Е_вх, L_s и k, приведенный к первичной обмотке силового трансформатора граничный ток нагрузки:

или, учитывая, что k≈1,

Например, при Е_вх=300 В, f=100 кГц и L_s=50 мкГн получим I'_{н.гр.mах}≈3А, то есть максимальная выходная мощность преобразователя без учета КПД ограничена 900 Вт.

Кроме того, если в качестве силовых ключей используются тиристоры, то обеспечить их надежную коммутацию затруднительно, поскольку прикладываемое к ним обратное напряжение на этапе запирания определяется прямым напряжением на открывающихся обратных диодах.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является преобразователь (см. патент SU 1802765 A3 по кл. В 23 К 9/00, 9/10. Бюл. 10, 1993), в котором в качестве обратных ключей используются вспомогательные тиристоры, что позволяет улучшить условия коммутации силовых тиристоров. Однако в этом преобразователе, как и в предыдущем, максимальная выходная мощность ограничена.

Заявляемое изобретение решает задачу создания преобразователя с увеличенным диапазоном изменения выходного тока и выходной мощности преобразователя.

Эта задача решается тем, что в преобразователе с последовательным резонансным инвертором, содержащем силовые ключи, образующие мост, к одной диагонали которого подключен источник входного напряжения, к другой - соединенные последовательно конденсатор, дроссель и первичная обмотка силового трансформатора, вторичная обмотка которого через выпрямитель и емкостный фильтр подключена к выходным выводам преобразователя, и шунтирующие силовые ключи обратные ключи, одна из общих точек соединения пары обратных ключей подключена к общей точке соединения силовых ключей соответствующего полумоста через дополнительный источник э.д.с. с изменяющейся полярностью.

Дополнительный источник э. д. с. может быть выполнен в виде первичной обмотки дополнительного трансформатора, вторичная обмотка которого через вспомогательный выпрямитель подключена к выходным или к входным выводам преобразователя.

Кроме того, дополнительный источник э. д.с. может выполняться в виде дополнительной обмотки силового трансформатора.

Обратные ключи, общая точка соединения которых подключена к общей точке соединения силовых ключей соответствующего полумоста через дополнительную обмотку силового трансформатора, могут быть выполнены в виде последовательного соединения диода и транзистора.

Дополнительная обмотка силового трансформатора может быть образована отводом от его первичной обмотки.

На фиг.1. представлена схема предлагаемого преобразователя с дополнительным источником э.д.с. с изменяющейся полярностью, подключенным между общей точкой соединения пары обратных ключей и общей точкой соединения силовых ключей соответствующего полумоста инвертора; на фиг.2 - схема преобразователя, в котором дополнительный источник э.д.с. образован первичной обмоткой дополнительного трансформатора, вторичная обмотка которого через вспомогательный выпрямитель подключена к выходным выводам преобразователя; на фиг.3 - схема преобразователя, в котором дополнительный источник э.д.с. образован первичной обмоткой дополнительного трансформатора, вторичная обмотка которого через вспомогательный выпрямитель подключена ко входу преобразователя; на фиг. 4 - схема преобразователя, в котором дополнительный источник э.д.с. выполнен в виде дополнительной обмотки силового трансформатора, образованной отводом от его первичной обмотки; на фиг.5 - диаграммы токов и напряжений в преобразователе по фиг.1 (индексы токов и напряжений соответствуют порядковым номерам элементов схемы); на фиг.6 - эквивалентные схемы преобразователя по фиг. 2 на двух характерных для него временных интервалах работы: а - на интервале t₀-t₁ проводимости силовых ключей инвертора, б - на интервале t₁-t₂ проводимости обратных ключей; на фиг.7 - эквивалентные схемы преобразователя по фиг. 3 на двух временных интервалах работы: а - на интервале t₀-t₁ проводимости силовых ключей, б - на интервале t₁-t₂ проводимости обратных ключей; на фиг.8 - внешние характеристики (- - теоретические, ** - экспериментальные) преобразователя по фиг.2 при двух значениях коэффициента трансформации дополнительного трансформатора.

Преобразователь с последовательным резонансным инвертором (фиг.1) содержит силовые ключи 1 - 4, образующие мост, к первой диагонали которого подключен источник входного напряжения Е_вх, ко второй диагонали - соединенные последовательно конденсатор 5, дроссель 6 и первичная обмотка 7 силового трансформатора 8. Вторичная обмотка 9 силового трансформатора 8 через выпрямитель 10 и конденсатор 11 емкостного фильтра подключена к выходным выводам 12, 13 преобразователя. Силовые ключи 1-4 шунтированы обратными ключами (например, диодами) 14-17, причем общая точка соединения обратных диодов 14, 15 подключена к общей точке соединения силовых ключей 1, 2 через дополнительный источник э. д. с. Е_доп 18 с изменяющейся полярностью, а общая точка соединения обратных диодов 16, 17 подключена к общей точке соединения силовых ключей 3, 4.

Преобразователь на фиг.2 содержит элементы, аналогичные элементам преобразователя на фиг.1, при этом дополнительный источник э.д.с. выполнен в виде первичной обмотки 18 дополнительного трансформатора 19, вторичная обмотка 20 которого через вспомогательный выпрямитель 21 подключена к выходным выводам 12, 13 преобразователя.

Преобразователь на фиг.3 отличается от преобразователя на фиг.2 тем, что вторичная обмотка 20 дополнительного трансформатора 19 через вспомогательный выпрямитель 21 подключена ко входу преобразователя.

В преобразователе на фиг. 4 дополнительный источник э.д.с. выполнен в виде дополнительной обмотки 18 силового трансформатора 8, образованной отводом от его первичной обмотки 7. При этом в качестве силовых ключей 1, 2 и обратных ключей 14, 15 используются, например, соединенные последовательно транзистор и диод, силовых ключей 3, 4 - транзисторы, а обратных ключей 16, 17 - диоды.

В зависимости от требований к параметрам преобразователя в качестве силовых 1-4 и обратных 14, 15 ключей могут быть применены тиристоры, транзисторы или другие силовые ключевые приборы.

Преобразователь на фиг.1 работает следующим образом.

В момент времени t₀ (фиг.5) отпираются силовые ключи 1, 4 и соответствующие диоды выпрямителя 10. Силовые ключи 2, 3, обратные диоды 14-17 закрыты. Напряжение на конденсаторе 5 в начале этого интервала u₅=-U₀ (полярность напряжения на фиг.1 показана без скобок), напряжение дополнительного источника э.д.с. 18 равно нулю. На интервале t₀-t₁ в колебательном контуре формируется ток i₅, синусоидальной формы, протекающий по цепи: источник входного напряжения Е_вх - силовой ключ 1 - конденсатор 5 - дроссель 6 - первичная обмотка 7 трансформатора 8 (полярность напряжения на обмотке 7, равного приведенному к этой обмотке напряжению на нагрузке преобразователя U_н, показана на фиг. 1 без скобок) - силовой ключ 4. К моменту времени t₁ ток i₅ уменьшается до нуля, конденсатор 5 перезаряжается до напряжения U_m (полярность на фиг.1 показана в скобках).

Допустим, что в момент времени t₁ напряжение U_m>Е_вх+U'_н+Е_доп (где U'_н - приведенное к первичной обмотке 7 трансформатора 8 напряжение на нагрузке преобразователя, полярность которого на фиг.1 показана в скобках; Е_доп - напряжение дополнительного источника э.д.с. 18 с полярностью, показанной на фиг. 1 без скобок). При этом открываются обратные диоды 14, 17, соответствующие диоды выпрямителя 10 и в колебательном контуре на интервале t₁-t₂ формируется ток, протекающий по цепи: обкладка "+" конденсатора 5 - дополнительный источник э.д.с. 18 - обратный диод 14 - источник входного напряжения Е_вх - обратный диод 17 - первичная обмотка 7 трансформатора 8 - обкладка "-" конденсатора 5. На этом интервале к силовому ключу 1 прикладывается обратное напряжение, равное напряжению Е_доп дополнительного источника э.д.с. 18, к закрытому силовому ключу 2 - прямое напряжение Е_вх+Е_доп, к силовому ключу 4 - обратное напряжение, равное прямому напряжению на открытом обратном диоде 17, а к закрытому силовому ключу 3 - прямое напряжение Е_вх. Обратные диоды 15, 16 закрыты обратным напряжением, равным Е_вх. К моменту времени t₂ ток i₅ уменьшается до нуля, конденсатор 5 разряжается до напряжения U₀. Допустим, что в момент времени t₂ напряжение дополнительного источника э.д.с. 18 становится равным нулю.

До момента времени t₃ обычно выдерживается бестоковая пауза, необходимая для восстановления запирающих свойств ключей, открытых на предыдущем интервале времени работы. На интервале времени t₂-t₃ силовые ключи 1-4, обратные диоды 14-17 и диоды выпрямителя 10 закрыты.

В момент времени t₃ открываются силовые ключи 2, 3 и соответствующие диоды выпрямителя 10; начинается второй полупериод работы преобразователя. На интервале времени t₃-t₄ ток i₅ протекает по цепи: источник входного напряжения Е_вх - ключ 3 - обмотка 7 трансформатора 8 (полярность напряжения показана на фиг.1 в скобках) - дроссель 6 - конденсатор 5 - ключ 2. Силовые ключи 1, 2 и обратные диоды 14-17 закрыты; напряжение источника 18 равно нулю. К моменту времени t₄ ток i₅ уменьшается до нуля, конденсатор 5 перезаряжается до напряжения - U_m.

В момент времени t₄ напряжением на конденсаторе 5 (полярность напряжения показана на фиг.1 без скобок) открываются обратные диоды 15, 16 и соответствующие диоды выпрямителя 10, меняется полярность напряжения (на фиг. 1 показана без скобок) на обмотке 7 трансформатора 8, появляется напряжение E_доп источника 18 (полярность на фиг.1 показана в скобках). Ток i₅ меняет направление и начинает протекать по цепи: обкладка "+" конденсатора 5 - дроссель 6 - обратный диод 16 - источник входного напряжения Е_вх - обратный диод 15 - источник э.д.с. 18 - обкладка "-" конденсатора 5. На интервале времени t₄-t₅ к силовому ключу 2 приложено обратное напряжение, равное Е_доп, к ключу 2 - прямое напряжение Е_вх+Е_доп, к ключу 3 - обратное напряжение, соответствующее напряжению на открытом диоде 16, к ключу 4 - прямое напряжение, примерно равное Е_вх. Диоды 14, 17 закрыты обратным напряжением, примерно равным Е_вх. К моменту времени t₅ ток i₅ уменьшается до нуля, конденсатор 5 разряжается до напряжения - U₀.

До момента времени t₆ отпирания очередной пары силовых ключей 1, 4 в схеме выдерживается бестоковая пауза. Далее процессы в схеме повторяются.

Таким образом, в предлагаемом преобразователе в отличие от аналогов и прототипа за счет введения дополнительного источника э.д.с. 18 с изменяющейся полярностью напряжения увеличивается амплитудное значение напряжения U_m на конденсаторе 5. Это способствует увеличению граничного тока нагрузки и сдвигу внешней характеристики преобразователя в сторону увеличения выходного тока. Требуемые значения максимального выходного тока (выходной мощности) при заданных значениях Е_вх, L_s, f можно регулировать выбором величины напряжения Е_доп дополнительного источника э.д.с. 18.

Преобразователь на фиг.2 работает аналогично преобразователю на фиг.1. На интервале t₀-t₁ схема преобразователя может быть представлена эквивалентной схемой на фиг.6, а. Допустим, что напряжение на конденсаторе 5 в начале этого интервала u₅=-U₀ (полярность на фиг.2 показана без скобок). Используя эквивалентную схему (фиг.6, а) и приняв, что полупроводниковые приборы - идеальные ключи, токи намагничивания трансформаторов малы, выходное напряжение преобразователя идеально сглажено, получаем выражения для тока i₅ в колебательном контуре и напряжения u₅ на конденсаторе 5:

где

собственная частота резонансного контура; α₁= r₁/2L₁; r₁ - суммарное активное сопротивление контура, учитывающее активные потери в обмотках дросселя 6 и трансформатора 8, дифференциальные сопротивления открытых силовых ключей и приведенные к первичной обмотке 7 трансформатора 8 дифференциальные сопротивления открытых диодов выпрямителя 10; L₁= L₆+L_S8 - индуктивность LC-контура, складывающаяся из индуктивности дросселя L₆ и суммарной индуктивности рассеяния трансформатора 8. К моменту времени t₁ ток в контуре спадает до нуля, конденсатор 5 перезаряжается до напряжения U_m. В момент времени t₁ силовые ключи 1, 4 могут быть выключены (допустим, что они выключаются).

Предположим, что ток нагрузки преобразователя соответствует выполнению условия отпирания обратных диодов 14, 17 и формирования тока в колебательном контуре на интервале t₁-t₂:

где U'_н= U_н/n₁ - приведенное к первичной обмотке 7 силового трансформатора 8 выходное напряжение преобразователя; n₁=w₉/w₇ - коэффициент трансформации силового трансформатора 8; w₉ - число витков вторичной обмотки 9 трансформатора 8; w₇ - число витков первичной обмотки 7 трансформатора 8; β = n₁/n₂; n₂=w₂₀/w₁₈ - коэффициент трансформации дополнительного трансформатора 19; w₁₈ - число витков первичной обмотки 18 трансформатора 19, выполняющей роль дополнительного источника э.д.с. с изменяющейся полярностью в преобразователе по фиг.1; w₂₀ - число витков вторичной обмотки 20 трансформатора 19.

В момент времени t₁ открываются обратные диоды 14, 17 и соответствующие диоды выпрямителей 10, 21. На интервале t₁-t₂ схема преобразователя может быть представлена эквивалентной схемой на фиг.6, б. В колебательном контуре на этом интервале формируется ток

а напряжение на конденсаторе 5 меняется по закону:

где

собственная частота резонансного контура на интервале t₁-t₂; α₂ = r₂/2L₂; r₂ - суммарное активное сопротивление контура на интервале t₁-t₂; L₂=L₆+L_S8+L_S19 - индуктивность LC-контура, складывающаяся из индуктивности дросселя L₆ и суммарных индуктивностей рассеяния трансформаторов 8 и 19. К моменту времени t₂ ток i₅ в контуре спадает до нуля, конденсатор 5 разряжается до напряжения U₀. На интервале t₁-t₂ к силовому ключу 1 прикладывается обратное напряжение

, а к ключу 2 - прямое напряжение

. В момент времени t₂ обратные диоды 14, 17 и диоды выпрямителей 10, 21 закрываются. До момента времени t₃ отпирания следующей пары силовых ключей 2, 3 выдерживается бестоковая пауза, необходимая для восстановления запирающих свойств открытых на предыдущем этапе ключей.

В момент времени t₃ отпирается следующая пара силовых ключей 2, 3 и на интервалах времени t₃-t₄, t₄-t₅ в контуре формируются импульсы тока i₅, аналогичные рассмотренным на интервалах t₀-t₁, t₁-t₂. После бестоковой паузы на интервале t₅-t₆ в момент времени t₆ отпираются силовые ключи 1, 2 и процессы в схеме повторяются.

Длительности импульсов тока t_и1 и t_и2 на интервалах t₀-t₁ и t₁-t₂ соответственно получаются из (2) и (5):

В граничном режиме (режим работы, при котором обратные диоды инвертора не отпираются и импульсы тока на интервалах t₁-t₂, t₄-t₅ не формируются) U₀= U_m. Подставив в (3) t=t_и1, u₅=U_m, получаем:

где

коэффициент, зависящий от добротности

контура на интервале t₀-t₁. С другой стороны, из (4) следует, что

Из (8) и (9) находим:

подставив которое в (9), получаем:

Граничный приведенный ток нагрузки

где I'_н.гp=I_н.гpn₁; f=1/T - рабочая частота преобразователя; Т - период работы преобразователя.

Подставив в (6) t=t_и2, u₅(t₂)=U₀, находим

где

коэффициент, зависящий от добротности

контура на интервале t₁-t₂. Подставив полученное значение U₀ и u₅=U_m при t=t_и1 в (3), получаем:

подставив которое в (13) находим:

В режиме короткого замыкания, когда U'_н=0:

Средний ток нагрузки, представляющий собой выпрямленный ток i₅ на интервале T/2, равен:

Учитывая, что I'_н=I_нn₁, получаем:

Подставив в (18) U_m и U₀ из (14) и (15), находим

в режиме короткого замыкания -

Уравнение внешней характеристики преобразователя получается из (19):

Приняв k₁≈k₂= k, что вполне допустимо, так как, например, при изменении добротности Q от 5 до 10 коэффициент k меняется от 0,73 до 0,85, и, введя обозначение I_н*=I'_н/4fC₅E_вх, находим пределы изменения тока в установившемся режиме:

а также соответствующие пределы изменения напряжения U_н*=U'_н/E_вх:

Верхняя граница в (22) и нижняя граница в (23) соответствуют короткому замыканию на выходе преобразователя, а другие границы - переходу к режиму источника тока.

Для сравнения, пределы изменения тока в установившемся режиме работы прототипа имеют вид (см. Белов Г.А. Высокочастотные тиристорно-транзисторные преобразователи...):

Таким образом, предлагаемый преобразователь имеет более широкий диапазон изменения выходного тока.

На фиг. 8 приведены результаты экспериментальных исследований макета преобразователя при β = 0 и β = 0,5, которые подтверждают приведенные теоретические соотношения (сплошные линии - теоретические).

Преобразователь на фиг.3 работает аналогично преобразователю на фиг.2, но отпирание обратных диодов 14, 17 в момент времени t₁ и формирование тока в колебательном контуре на интервале времени t₁-t₂ (фиг. 5) происходят при выполнении условия:

Допустим, что к моменту времени t₀ напряжение на конденсаторе 5 u₅(t₀)= -U₀ (полярность на фиг.3 показана без скобок), обратные диоды 14-17 и диоды выпрямителей 10, 21 закрыты. В момент времени t₀ отпираются силовые ключи 1, 4. В колебательном контуре возникает ток, протекающий по цепи: источник входного напряжения Е_вх, силовой ключ 1, конденсатор 5, дроссель 6, первичная обмотка 7 трансформатора 8, силовой ключ 4. При этом отпираются диоды выпрямителя 10 и на первичной обмотке 7 трансформатора 8 устанавливается напряжение u₇= U'_н= U_н/n₁ (полярность на фиг.3 показана без скобок). На интервале времени t₀-t₁, справедлива эквивалентная схема преобразователя, приведенная на фиг.7, а. Ток i₅ в диагонали преобразователя и напряжение u₅ на конденсаторе 5 определяются соотношениями (2) и (3), как и для преобразователя на фиг.2. К моменту времени t₁ ток i₅ уменьшается до нуля, конденсатор 5 перезаряжается до напряжения U_m (полярность на фиг.3 показана в скобках).

Допустим, что выполняется условие (25). Тогда в момент времени t₁, отпираются обратные диоды 15, 16 и в колебательном контуре начинает протекать ток по цепи: обкладка "+" конденсатора 5 - первичная обмотка 18 трансформатора 19 - обратный диод 14 - источник входного напряжения Е_вх - обратный диод 17 - первичная обмотка 7 трансформатора 8 - дроссель 6 - обкладка "-" конденсатора 5. При этом открываются соответствующие диоды выпрямителя 21 и на обмотке 20 трансформатора 19 устанавливается напряжение Е_вх, на обмотке 18 - напряжение E_вх/n₂ (полярность напряжения на обмотке 18 на фиг.3 показана без скобок). Также открываются диоды выпрямителя 10 и на обмотке 7 трансформатора 8 устанавливается напряжение U'_н (полярность на фиг.3 показана в скобках). Для этого интервала работы справедлива эквивалентная схема преобразователя на фиг.7, б. В колебательном контуре формируется ток

а напряжение на конденсаторе 5 меняется по закону:

где n₂=w₂₀/w₁₈ - коэффициент трансформации трансформатора 19; w₂₀ и w₁₈ - числа витков обмоток соответственно 20 и 18 трансформатора 19.

К моменту времени t₂ ток i₅ в контуре уменьшается до нуля, конденсатор 5 разряжается до напряжения U₀. На интервале t₁-t₂ к силовому ключу 1 прикладывается обратное напряжение u₁=u₁₈=-E_вх/n₂, а к силовому ключу 2 - прямое напряжение

В момент времени t₂ обратные диоды 14, 17 и диоды выпрямителей 10, 21 закрываются.

В момент времени t₃ отпирается следующая пара силовых ключей 2, 3 и в колебательном контуре начинает протекать ток по цепи: источник входного напряжения Е_вх - ключ 3 - обмотка 7 трансформатора 8 (полярность напряжения на фиг. 3 показана в скобках) - дроссель 6 - конденсатор 5 (полярность напряжения показана в скобках) - ключ 2. Эквивалентная схема преобразователя соответствует фиг. 7, а. На интервалах времени t₃-t₄, t₄-t₅ в контуре формируются импульсы тока i₅, аналогичные рассмотренным на интервалах t₀-t₁, t₁-t₂. После бестоковой паузы на интервале t₅-t₆ в момент времени t₆ отпираются силовые ключи 1, 2 и процессы в схеме повторяются.

Для преобразователя на фиг.3 справедливы следующие соотношения (выводятся аналогично соотношениям для преобразователя на фиг.2):

или, если положить k₁≈k₂=k,

Уравнение внешней характеристики преобразователя получается из (33):

Приняв k₁≈k₂=k, находим пределы изменения тока в установившемся режиме:

Таким образом, и этот вариант преобразователя имеет более широкий диапазон изменения выходного тока, который может устанавливаться выбором коэффициента n₂.

В преобразователе на фиг.4 дополнительный источник э.д.с. образуется дополнительной обмоткой 18 силового трансформатора 8. При этом процессы в схеме также соответствуют кривым на фиг.5. В момент времени t₀ включаются силовые ключи 1, 4 и в колебательном контуре начинает протекать ток по цепи: источник входного напряжения E_вх -ключ 1 - обмотка 7 трансформатора 8 - конденсатор 5 - дроссель 6 - ключ 4 (полярность напряжения на обмотке 7 трансформатора 8 на фиг.4 показана без скобок). Транзисторы обратных ключевых элементов 14, 15 заперты. Коэффициент трансформации силового трансформатора на интервалах времени t₀-t₁, t₃-t₄ n₁=w₉/w₇.

В момент времени t₁ отпирается транзистор обратного ключа 14 и открывается обратный диод 17. Ток в диагонали моста начинает протекать по цепи: обкладка "+" конденсатора 5 (полярность напряжения на фиг.4 показана в скобках) - последовательно соединенные обмотки 7 и 18 трансформатора 8 - транзистор и диод ключа 14 - источник входного напряжения Е_вх - обратный диод 17 - дроссель 6 - обкладка "-" конденсатора 5. Коэффициент трансформации трансформатора 8 на интервалах времени t₁-t₂, t₄-t₅ n₂=w₉/(w₇+w₁₈). Если обозначить

получаются соотношения, аналогичные соотношениям (2)-(23).

Таким образом, и в варианте преобразователя на фиг.4 диапазон изменения выходного тока преобразователя увеличивается.

Экспериментальные исследования проводились на макете преобразователя, реализованного по схеме полумостового инвертора с емкостным делителем (конденсаторы типа К50-29-22,0 мкФ-300 В). Напряжение питания преобразователя - 300 В, граничное напряжение на нагрузке - 40 В при граничном токе нагрузки 3 А. Частота преобразования - 20 кГц. В макете применены транзисторы типа КТ 858 А с пропорционально-токовым управлением, обратные диоды и диоды выпрямителя типа КД 213 Б, конденсаторы выходного фильтра типа К50-24-470,0 мкФ-63 В (4 шт. параллельно). Силовой трансформатор намотан на трех сердечниках К36х24х8 из феррита М2000НМ1, числа витков: w₁ - 52 витка (ПЭВ-2 ⌀0,4х3); w₂ - 18 витков (ПЭВ-2 ⌀0,4х6). Дополнительный трансформатор намотан на двух сердечниках К32х20х10 из феррита М2000НМ1, числа витков: w₁ - 26 витков (ПЭВ-2 ⌀0,4х3); w₂ - 18 витков (ПЭВ-2 ⌀0,4х6). Суммарная индуктивность колебательного контура - 130 мкГн, конденсатор 5 - типа К78-2-0,066 мкФ-1000В.

Claims (6)

1. Преобразователь с последовательным резонансным инвертором, содержащий силовые ключи, образующие мост, к одной диагонали которого подключен источник входного напряжения, к другой - соединенные последовательно конденсатор, дроссель и первичная обмотка силового трансформатора, вторичная обмотка которого через выпрямитель и емкостный фильтр подключена к выходным выводам преобразователя, и шунтирующие силовые ключи обратные ключи, отличающийся тем, что хотя бы одна из общих точек соединения пары обратных ключей подключена к общей точке соединения силовых ключей соответствующего полумоста через дополнительный источник э. д. с. с изменяющейся полярностью.

2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что дополнительный источник э. д. с. выполнен в виде первичной обмотки дополнительного трансформатора, вторичная обмотка которого через вспомогательный выпрямитель подключена к выходным выводам преобразователя.

3. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что дополнительный источник э. д. с. выполнен в виде первичной обмотки дополнительного трансформатора, вторичная обмотка которого через вспомогательный выпрямитель подключена к входным выводам преобразователя.

4. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что дополнительный источник э. д. с. выполнен в виде дополнительной обмотки силового трансформатора.

5. Преобразователь по п. 4, отличающийся тем, что обратные ключи, общая точка соединения которых подключена к общей точке соединения силовых ключей соответствующего полумоста через дополнительную обмотку силового трансформатора, выполнены в виде последовательного соединения диода и транзистора.

6. Преобразователи по п. 4 и 5, отличающийся тем, что дополнительная обмотка силового трансформатора образована отводом от его первичной обмотки.

Images