RU2283528C1

RU2283528C1 - Direct-current voltage converter

Info

Publication number: RU2283528C1
Application number: RU2005125256/09A
Authority: RU
Inventors: Алексей Петрович Темирев (RU); Алексей Петрович Темирев; Борис Владимирович Никифоров (RU); Борис Владимирович Никифоров; Олег Евгеньевич Лозицкий (RU); Олег Евгеньевич Лозицкий; Александр Владимирович Юрин (RU); Александр Владимирович Юрин; Петр Владимирович Маминов (RU); Петр Владимирович Маминов; Александр Викторович Мор (RU); Александр Викторович Моря
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "Производственно-конструкторское предприятие "ИРИС"
Priority date: 2005-08-09
Filing date: 2005-08-09
Publication date: 2006-09-10

Abstract

FIELD: electrically isolated circuits of high- and medium-voltage dc power supplies.

SUBSTANCE: proposed converter has transformer whose center tap is connected to supply mains through inverter, damping circuit connected in parallel with load between inductance coil and filter capacitor and set up of capacitor, controlled switch, choke coil, and diodes connected to different half-waves of rectified voltage, as well as diode cumulatively connected to choke coil.

EFFECT: reduced size, cost, and high-frequency noise.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к электрорадиотехнике, в частности к высокочастотным преобразователям постоянного напряжения с гальванической развязкой цепей, и может быть использовано в электрических схемах различных источников питания постоянным током.The invention relates to electrical engineering, in particular to high-frequency DC voltage converters with galvanic isolation of circuits, and can be used in electrical circuits of various DC power sources.

Известен преобразователь постоянного напряжения, содержащий трансформатор, первичная обмотка которого подключена к сети через управляемые полупроводниковые ключи, преобразующие постоянное напряжение в переменное, а к вторичной обмотке трансформатора подключена нагрузка через выпрямительные диоды и сглаживающий фильтр. (Источники электропитания РЭА. Справочник под ред. Г.С.Найвельта. М.: Радио и связь. 1986, стр.360-368).A known DC-voltage converter containing a transformer, the primary winding of which is connected to the network through controlled semiconductor switches that convert the constant voltage to alternating voltage, and the load is connected to the secondary winding of the transformer through rectifier diodes and a smoothing filter. (Sources of power supply REA. Handbook edited by G.S. Naivelt. M: Radio and communications. 1986, pp. 360-368).

Работа известных преобразователей с высокой частотой коммутации ключей сопровождается резким изменением обратных токов выпрямительных диодов, которые, проходя через паразитные индуктивности рассеяния трансформатора и емкости, вызывают высокочастотные колебания на фронтах импульсов выходного напряжения, создавая перенапряжения на ключах и высокочастотные помехи по цепям питания. Поэтому в качестве сглаживающего фильтра после выпрямителя применяется емкостной фильтр.The operation of the known converters with a high switching frequency of the keys is accompanied by a sharp change in the reverse currents of the rectifier diodes, which, passing through the stray inductance of the transformer and capacitance, cause high-frequency oscillations at the fronts of the output voltage pulses, creating overvoltage on the keys and high-frequency noise in the power supply circuits. Therefore, a capacitive filter is used as a smoothing filter after the rectifier.

Недостатком преобразователей с емкостным фильтром является большая амплитуда тока выпрямительных диодов, увеличенные габариты трансформатора, большая зависимость выпрямленного напряжения от тока нагрузки.The disadvantage of converters with a capacitive filter is the large current amplitude of the rectifier diodes, the increased dimensions of the transformer, the large dependence of the rectified voltage on the load current.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является преобразователь постоянного напряжения, содержащий трансформатор, первичная обмотка которого присоединена к сети через управляемые полупроводниковые ключи, включенные по мостовой или полумостовой схеме, а вторичная обмотка подключена к нагрузке через полупроводниковый выпрямитель и сглаживающий индуктивно-емкостной фильтр. (Р.Севернс, Г.Блум. Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания; Пер. с англ. Под ред. Л.Е.Смольникова. - М.:Энергоатомиздат, 1988, стр.73-76).The closest in technical essence to the claimed solution is a DC-voltage converter containing a transformer, the primary winding of which is connected to the network through controlled semiconductor switches connected via a bridge or half-bridge circuit, and the secondary winding is connected to the load through a semiconductor rectifier and a smoothing inductive-capacitive filter. (R. Severns, G. Bloom. Pulse DC-DC converters for secondary power supply systems; Transl. From English. Ed. By L.E. Smolnikov. - M.: Energoatomizdat, 1988, pp. 73-76).

Индуктивно-емкостной фильтр ограничивает амплитуду тока выпрямителя, позволяет уменьшить габариты трансформатора и зависимость выходного напряжения от тока нагрузки.Inductive-capacitive filter limits the amplitude of the rectifier current, reduces the size of the transformer and the dependence of the output voltage on the load current.

Недостатком преобразователей с индуктивно-емкостным фильтром является повышенная установленная мощность и габариты диодов и высокочастотные помехи 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.The disadvantage of inductors with an inductive-capacitive filter is the increased installed power and dimensions of the diodes and high-frequency interference in the power supply circuit due to overvoltages on the diodes caused by high-frequency oscillations at the edges of the voltage pulses due to high-frequency switching of the inverting keys and a sharp change in the reverse currents of the diodes passing through the diodes passing through spurious inductances and capacitances of the circuit - transformer-rectifier. High-frequency voltage fluctuations on the diodes create significant interference in the power supply circuits.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение габаритов и стоимости преобразователя постоянного напряжения и уменьшение высокочастотных помех за счет снижения перенапряжений на выпрямительных диодах преобразователя.The objective of the present invention is to reduce the size and cost of the DC-DC converter and reduce high-frequency interference by reducing overvoltages on the rectifier diodes of the converter.

Поставленная задача решается тем, что в известном преобразователе постоянного напряжения, содержащем трансформатор, первичная обмотка которого присоединена к сети через управляемые ключи, собранные по мостовой или полумостовой схеме, а вторичная обмотка со средним выводом подключена к нагрузке через полупроводниковый выпрямитель и сглаживающий индуктивно-емкостной фильтр, между индуктивностью и емкостью фильтра параллельно нагрузке включена демпфирующая цепь, состоящая из конденсатора, управляемого ключа, дросселя и двух диодов, подсоединенных анодами к разным полуволнам выпрямленного напряжения, а катодами включенных между конденсатором и управляемым ключом, а между управляемым ключом и дросселем параллельно нагрузке подключен диод согласно с направлением тока дросселя.The problem is solved in that in the known DC-voltage converter containing a transformer, the primary winding of which is connected to the network through controlled keys assembled in a bridge or half-bridge circuit, and the secondary winding with a middle terminal is connected to the load through a semiconductor rectifier and a smoothing inductive-capacitive filter , between the inductance and the filter capacity parallel to the load, a damping circuit is included, consisting of a capacitor, a controlled key, a choke and two diodes, p dsoedinennyh anodes to different half-waves of the rectified voltage, and the cathode connected between the capacitor and the controllable switch and between the controllable switch and inductor connected parallel to the load direction of the diode in accordance with current throttle.

Сущность изобретения состоит в том, что применение в известном преобразователе демпфирующей цепи, включенной параллельно нагрузке между индуктивностью и емкостью фильтра и состоящей из конденсатора, управляемого ключа, дросселя и диодов, подсоединенных к разным полуволнам выпрямленного напряжения, и диода, подключенного согласно с направлением тока дросселя, 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. Также уменьшены высокочастотные помехи предлагаемого преобразователя за счет устранения высокочастотных колебаний напряжения выпрямителя. 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 заявленное устройство в преобразователях повышенной мощности. Положительный эффект предлагаемого преобразователя подтвержден стендовыми испытаниями изготовленного опытного образца мощностью 50 кВт.The essence of the invention lies in the fact that the use in a known converter of a damping circuit connected in parallel to the load between the inductance and the filter capacity and consisting of a capacitor, a controlled key, a choke and diodes connected to different half-waves of the rectified voltage, and a diode connected according to the direction of the current of the choke , allowed to reduce the dimensions and cost of the converter by reducing the installed power of the rectifier diodes, which reduced overvoltage due to high Switched-frequency inverting keys and sharp change in reverse current diodes passing through the parasitic capacitance and inductance transformer-rectifier circuit and causing high-frequency oscillations at the top of the rectified voltage pulses. Also reduced the high-frequency interference of the proposed Converter by eliminating high-frequency voltage fluctuations of the rectifier. Since the energy accumulated in the damping circuit, after filtering is not released in the form of losses, but is given to the load, the high efficiency of the converter remains. The use in the damping circuit of a separate inductor installed parallel to the filter inductance allows the claimed device to be used in high power converters. The positive effect of the proposed Converter is confirmed by bench tests of a manufactured prototype with a capacity of 50 kW.

На чертеже изображена принципиальная схема предложенного преобразователя, где обозначено: 1-8 - силовые транзисторные модули; 9 - трансформатор; 10, 13 - диоды демпфирующей цепи; 11, 12 - диоды выпрямителя; 14 - конденсатор демпфирующей цепи; 15 - диод; 16 - транзистор демпфирующей цепи; 17 - фильтровая индуктивность; 18 - дроссель демпфирующей цепи; 19 - фильтровая емкость.The drawing shows a schematic diagram of the proposed Converter, where it is indicated: 1-8 - power transistor modules; 9 - transformer; 10, 13 - diodes of the damping circuit; 11, 12 - rectifier diodes; 14 - capacitor damping circuit; 15 - diode; 16 - damping circuit transistor; 17 - filter inductance; 18 - throttle damping circuit; 19 - filter capacity.

Преобразователь работает следующим образом.The converter operates as follows.

Постоянное напряжение Uвх подается на первичную обмотку трансформатора 9 через мостовую схему, в которой пара ключей 3, 8 работает в противофазе по отношению к другой паре ключей 4, 7 и преобразуется в переменное. На вторичной обмотке трансформатора 9 переменное напряжение выпрямляется выпрямительным мостом 11, 12 со средней точкой трансформатора и поступает через фильтр, образованный дросселем 17 и емкостью 19 на нагрузку Uвых. Напряжение высокочастотных колебаний на вершине импульсов выпрямленного диодами 10, 13 напряжения накапливается на конденсаторе 14. Транзистор 16 включают на время паузы между выключением пары транзисторов 3, 8 и включением другой пары - 4, 7. Транзистором 16 также можно управлять по законам широтно-импульсной модуляции, частотно-импульсной модуляции, поддерживая на конденсаторе 14 постоянный уровень напряжения. В моменты открытого состояния транзистора 16 конденсатор 14 отдает накопленную энергию через дроссель 18 в нагрузку. Диод 15 предназначен для замыкания тока дросселя 18 на время выключения транзистора 16. На диодах 11, 12 снимаются перенапряжения, устраняются высокочастотные колебания напряжения и снижаются помехи в цепях преобразователя.A constant voltage Uin is supplied to the primary winding of the transformer 9 through a bridge circuit in which a pair of keys 3, 8 works in antiphase with respect to another pair of keys 4, 7 and is converted into an alternating one. At the secondary winding of the transformer 9, the alternating voltage is rectified by a rectifier bridge 11, 12 with the midpoint of the transformer and enters through the filter formed by the inductor 17 and the capacity 19 to the load Uout. The voltage of the high-frequency oscillations at the top of the pulses rectified by the diodes 10, 13 is accumulated on the capacitor 14. The transistor 16 is turned on for a while between turning off a pair of transistors 3, 8 and turning on another pair - 4, 7. Transistor 16 can also be controlled according to the laws of pulse-width modulation , pulse-frequency modulation, maintaining a constant voltage level on the capacitor 14. At the moments of the open state of the transistor 16, the capacitor 14 transfers the stored energy through the inductor 18 to the load. The diode 15 is designed to close the current of the inductor 18 while the transistor 16 is turned off. Overvoltages are removed from the diodes 11, 12, high-frequency voltage fluctuations are eliminated, and interference in the converter circuits is reduced.

В результате защиты, таким образом, диодов от перенапряжений, они выбираются с более низким максимальным напряжением, т.е. с меньшей установленной мощностью и с меньшими габаритами. Потери электроэнергии в демпфирующей цепи практически не увеличивают общие потери в преобразователе, поэтому КПД преобразователя сохраняется высоким. Эффективность демпфирования перенапряжений на диодах не зависит от мощности преобразователя и позволяет применять заявленное устройство для преобразователей повышенной мощности. Устройство рекомендуется для применения в схемах с низким и средним выходным напряжением.As a result of protection, therefore, of the diodes against overvoltage, they are selected with a lower maximum voltage, i.e. with less installed power and with smaller dimensions. Losses of electricity in the damping circuit practically do not increase the total losses in the converter; therefore, the efficiency of the converter remains high. The efficiency of damping overvoltages on diodes does not depend on the power of the converter and allows you to use the claimed device for converters of high power. The device is recommended for use in circuits with low and medium output voltage.

На основании вышеизложенного и по результатам проведенного нами патентно-информационного поиска считаем, что предлагаемый нами преобразователь постоянного напряжения отвечает критериям "Новизна", "Изобретательский уровень", "Промышленная применимость" и может быть защищен патентом Российской Федерации.Based on the foregoing and based on the results of our patent information search, we believe that our DC-DC converter meets the criteria of "Novelty", "Inventive step", "Industrial applicability" and can be protected by a patent of the Russian Federation.

Claims

A DC voltage converter containing a transformer, the primary winding of which is connected to the network through controlled keys assembled in a bridge or half-bridge circuit, and the secondary winding with a middle output is connected to the load through a semiconductor rectifier and a smoothing inductive-capacitive filter, characterized in that between the inductance and filter capacity parallel to the load includes a damping circuit consisting of a capacitor, a controlled key, a choke and two diodes connected by anodes to different To the half-waves of the rectified voltage, and a cathode connected between the capacitor and the controlled key, and between the controlled key and the inductor in parallel with the load, a diode is connected in accordance with the direction of the inductor current.