RU2394344C1

RU2394344C1 - Bidirectional step-down dc voltage converter

Info

Publication number: RU2394344C1
Application number: RU2009120236/09A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Степанович Зиновьев (RU); Геннадий Степанович Зиновьев; Николай Николаевич Лопаткин (RU); Николай Николаевич Лопаткин
Priority date: 2009-05-27
Filing date: 2009-05-27
Publication date: 2010-07-10

Abstract

FIELD: electric engineering.

SUBSTANCE: bidirectional step-down DC voltage converter (BSVC) may be used as high-voltage dc-dc converter of medium capacity in systems of DC electric equipment, for instance for DC electric locomotives with voltage 3(1.5) kV for supply from contact network with increased voltage of (12(6) kV, 18(9) kV etc.). Proposed BSVC with ratio of high voltage value to amplitude of low voltage pulses equal to K, where K is even number, higher than two, comprises 3-K+5 keys formed by opposite connection of valve with full control and diode, and K capacitors used at single polarity of voltage. Structure of this BSVC includes two key modules (M1 and M2), K-2 additional key modules (AM), three additional keys (AK) and capacitors. Modules M1 and M2 consist each of four keys, serially connected with identical terminals, and middle points of these points serve as low voltage terminals. Each of AM modules consists of three keys, which are serially connected by opposite terminals. Two of AK keys are connected one by one between the first points of M1 and M2 module keys connection, which are counted from terminals of low voltage to the left and right. AM modules are connected in a cascade to modules of M1 and M2 symmetrically relative to them to the left and to the right. K capacitors are connected one by one between points of connection of according terminal outputs of modules M1 and M2 with modules AM, between connection points of neighbouring modules AM and between terminal outputs of terminal modules AM. One of two high voltage terminals is connected to according output terminal of according terminal AM directly, and the second one - via the third AK key connected either by cathode of diode to positive output of high voltage, or by anode of diode to negative output of high voltage.

EFFECT: reduced losses of active power in capacitors, due to use of capacitors with limit values of voltage, which do not exceed amplitude of voltage pulses at low voltage outputs of converter.

5 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, а именно к области полупроводниковой преобразовательной техники (силовой электроники), и может быть использовано в качестве высоковольтного двунаправленного понижающего dc-dc конвертора средней мощности в системах электрооборудования постоянного тока, например, для электровозов постоянного тока напряжением 3(1.5) кВ для питания от контактной сети с повышенным напряжением (12(6) кВ, 18(9) кВ и т.д.).The present invention relates to electrical engineering, in particular to the field of semiconductor converting technology (power electronics), and can be used as a high-voltage bidirectional dc-dc step-down converter of medium power in electrical systems of direct current, for example, for electric locomotives of direct current voltage 3 (1.5) kV for power supply from a contact network with increased voltage (12 (6) kV, 18 (9) kV, etc.).

Известен двунаправленный понижающий преобразователь постоянного напряжения, содержащий фильтровые полярные конденсаторы, электрический накопительный реактор и два ключа, образованных путем последовательно-параллельного включения нескольких вентилей, каждый из которых образован встречно-параллельным соединением вентиля с полным управлением и диода (F. Zhang, L. Du, F.Z. Peng, Z. Qian. A New Design Method for High-Power High-Efficiency Switched-Capacitor DC-DC Converters. // IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.23, No. 2, March 2008, pp.832-840, см. с.834, Fig. 6).Known bidirectional step-down DC-DC Converter, containing filter polar capacitors, an electric storage reactor and two keys formed by series-parallel switching of several valves, each of which is formed by the counter-parallel connection of the valve with full control and diode (F. Zhang, L. Du , FZ Peng, Z. Qian. A New Design Method for High-Power High-Efficiency Switched-Capacitor DC-DC Converters. // IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.23, No. 2, March 2008, pp.832- 840, see p. 834, Fig. 6).

Однако указанный двунаправленный преобразователь имеет значительные потери мощности в накопительном реакторе, который к тому же ухудшает массогабаритные показатели устройства.However, the specified bidirectional converter has significant power losses in the storage reactor, which also affects the overall dimensions of the device.

Кроме того, известен двунаправленный понижающий преобразователь постоянного напряжения (там же, см. с.835, Fig. 7, и G. Gateau, M. Fadel, P. Maussion, R. Bensaid, T.A. Meynard. Multicell Converters: Active Control and Observation of Flying-Capacitor Voltages. // IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol.49, No. 5, October 2002, pp.998-1008, см. с.999, Fig. 1, где К есть отношение величины высокого напряжения к амплитуде импульсов низкого напряжения, здесь К=3), взятый за прототип, содержащий конденсаторы и два модуля, каждый из которых состоит из последовательно соединенных ключей, каждый из которых, в свою очередь, образован встречно-параллельным соединением вентиля с полным управлением и диода, причем первый оконечный вывод первого модуля соответствует катоду диода ключа, а первый оконечный вывод второго модуля соответствует аноду диода ключа, при этом количество последовательно соединенных ключей в каждом из модулей К, указанные ключи в модулях соединены разноименными выводами, количество конденсаторов К-1, выводы каждого из них подсоединены к точкам соединения выводов ключей различных модулей, имеющим одинаковые номера n при отсчете от зажимов низкого напряжения, где n - целые положительные числа натурального ряда 1, 2, 3, 4,…, K-1, положительный вывод высокого напряжения подсоединен к первому оконечному выводу первого модуля, отрицательные выводы высокого и низкого напряжения подсоединены к первому оконечному выводу второго модуля, положительный вывод низкого напряжения подсоединен к точке соединения вторых оконечных выводов первого и второго модулей.In addition, a bidirectional DC-DC buck converter is known (ibid., See p. 835, Fig. 7, and G. Gateau, M. Fadel, P. Maussion, R. Bensaid, TA Meynard. Multicell Converters: Active Control and Observation of Flying-Capacitor Voltages. // IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 49, No. 5, October 2002, pp. 998-1008, see p. 999, Fig. 1, where K is the ratio of high voltage to amplitude pulses of low voltage, here K = 3), taken as a prototype, containing capacitors and two modules, each of which consists of series-connected keys, each of which, in turn, is formed counter-parallel with the connection of the valve with full control and the diode, and the first terminal of the first module corresponds to the cathode of the diode key, and the first terminal of the second module corresponds to the anode of the diode of the key, while the number of keys connected in series in each of the modules K, these keys in the modules are connected by opposite terminals, the number of K-1 capacitors, the terminals of each of them are connected to the connection points of the key terminals of various modules that have the same numbers n when counting from the low voltage terminals, where n are integer positive numbers of the natural series 1, 2, 3, 4, ..., K-1, the positive terminal of the high voltage is connected to the first terminal of the first module, the negative terminals of the high and low voltage are connected to the first terminal of the second module, the positive terminal of low voltage is connected to the connection point of the second terminal outputs of the first and second modules.

Однако этот двунаправленный понижающий преобразователь постоянного напряжения требует использования K-2 конденсаторов с предельными значениями напряжения, превышающими амплитуду импульсов напряжения на выводах низкого напряжения преобразователя, что приводит к повышенным потерям активной мощности в конденсаторах.However, this bi-directional step-down DC-DC converter requires the use of K-2 capacitors with voltage limits exceeding the amplitude of the voltage pulses at the low voltage terminals of the converter, which leads to increased losses of active power in the capacitors.

Задачей предлагаемого изобретения является создание двунаправленного понижающего преобразователя постоянного напряжения с уменьшенными потерями активной мощности в конденсаторах.The objective of the invention is the creation of a bi-directional step-down DC-DC converter with reduced losses of active power in capacitors.

Это достигается тем, что в двунаправленный понижающий преобразователь постоянного напряжения, содержащий конденсаторы и два модуля, каждый из которых состоит из последовательно соединенных ключей, каждый из которых, в свою очередь, образован встречно-параллельным соединением вентиля с полным управлением и диода, причем первый оконечный вывод первого модуля соответствует катоду диода ключа, а первый оконечный вывод второго модуля соответствует аноду диода ключа, дополнительно введены один конденсатор, три аналогичных ключа и K-2 дополнительных модуля, каждый из которых состоит из трех последовательно соединенных разноименными выводами аналогичных ключей, где K - четное число, большее двух, есть отношение величины высокого напряжения к амплитуде импульсов низкого напряжения, причем указанные ключи в первом и втором модулях соединены одноименными выводами, а срединные точки этих модулей служат выводами низкого напряжения, два из дополнительных аналогичных ключей подсоединены по одному между первыми точками соединения ключей первого и второго модулей, отсчитываемыми от выводов низкого напряжения влево и вправо, катодами диодов к точкам соединения анодов диодов первого модуля, а анодами диодов к точкам соединения катодов диодов второго модуля, дополнительные модули каскадно подсоединены к первому и второму модулям симметрично относительно них слева и справа, а именно к первым оконечным выводам первого и второго модулей подсоединены соответственно первый и второй выводы первого из K/2-1 подсоединенных к указанным первым оконечным выводам дополнительных модулей, а первый и второй выводы каждого из последующих аналогичных модулей подсоединены соответственно к третьему и четвертому выводам предыдущего модуля, где первый вывод каждого из дополнительных модулей соответствует выводу катода диода первого из последовательно соединенных ключей, второй вывод соответствует точке соединения анода диода второго ключа и катода диода третьего ключа, третий вывод - точке соединения анода диода первого ключа и катода диода второго ключа, а четвертый - выводу анода диода третьего ключа, ко вторым оконечным выводам первого и второго модулей подсоединены соответственно третий и четвертый выводы первого из K/2-1 подсоединенных к указанным вторым оконечным выводам дополнительных модулей, а третий и четвертый выводы каждого из последующих аналогичных модулей подсоединены соответственно к первым и вторым выводам предыдущего модуля, К конденсаторов по одному подсоединены между точками соединения соответствующих оконечных выводов первого и второго модулей с дополнительными модулями, между точками соединения соседних дополнительных модулей и между третьим и четвертым, и между первым и вторым оконечными выводами последних из подсоединенных дополнительных модулей соответственно, а положительный и отрицательный выводы высокого напряжения подсоединены к первому выводу последнего из дополнительных модулей, подсоединенных ко вторым оконечным выводам первого и второго модулей, и к четвертому выводу последнего из дополнительных модулей, подсоединенных к первым оконечным выводам первого и второго модулей, причем один из двух выводов высокого напряжения, либо положительный, либо отрицательный, подсоединен к указанному соответствующему выводу дополнительного модуля непосредственно, а второй - через третий дополнительный аналогичный ключ, подсоединенный либо катодом диода к положительному выводу высокого напряжения, либо анодом диода к отрицательному выводу высокого напряжения, при этом первый и второй модули содержат каждый по четыре ключа.This is achieved by the fact that in a bidirectional step-down DC-DC converter, containing capacitors and two modules, each of which consists of series-connected keys, each of which, in turn, is formed by a counter-parallel connection of a valve with full control and a diode, the first terminal the output of the first module corresponds to the cathode of the diode key, and the first terminal output of the second module corresponds to the anode of the diode key, in addition, one capacitor, three similar keys and K-2 are added module, each of which consists of three similar keys connected in opposite terminals, where K is an even number greater than two, is the ratio of the high voltage to the amplitude of the low voltage pulses, and these keys in the first and second modules are connected by the same terminals, and the middle the points of these modules serve as low voltage terminals, two of the additional similar keys are connected one by one between the first connection points of the keys of the first and second modules, counted about t low voltage leads left and right, the cathodes of the diodes to the connection points of the anodes of the diodes of the first module, and the anodes of the diodes to the connection points of the cathodes of the diodes of the second module, the additional modules are cascaded to the first and second modules symmetrically with respect to them left and right, namely the first terminal the conclusions of the first and second modules are connected, respectively, the first and second conclusions of the first of K / 2-1 connected to the indicated first terminal conclusions of the additional modules, and the first and second conclusions of each of the last similar analogous modules are connected respectively to the third and fourth terminals of the previous module, where the first output of each of the additional modules corresponds to the output of the diode cathode of the first of the keys connected in series, the second output corresponds to the connection point of the second key diode anode and the third key diode cathode, the third output to the connection point the anode of the diode of the first key and the cathode of the diode of the second key, and the fourth to the output of the anode of the diode of the third key to the second terminal terminals of the first and second modules of the subconnect the third and fourth outputs of the first of K / 2-1 additional modules connected to the indicated second terminal outputs are respectively connected, and the third and fourth outputs of each of the subsequent similar modules are connected respectively to the first and second outputs of the previous module, K capacitors are connected one between the connection points corresponding terminal outputs of the first and second modules with additional modules, between the connection points of adjacent additional modules and between the third and fourth, and between the first and the second terminal leads of the last of the connected additional modules, respectively, and the positive and negative terminals of the high voltage are connected to the first terminal of the last of the additional modules connected to the second terminal leads of the first and second modules, and to the fourth terminal of the last of the additional modules connected to the first terminal leads the first and second modules, and one of the two high voltage terminals, either positive or negative, is connected to the specified to the corresponding output of the additional module directly, and the second through the third additional similar key connected either by the cathode of the diode to the positive terminal of the high voltage or the anode of the diode to the negative terminal of the high voltage, with the first and second modules each containing four keys.

На фиг.1 представлена схема предлагаемого двунаправленного понижающего преобразователя постоянного напряжения для варианта с отношением величины высокого напряжения к амплитуде импульсов низкого напряжения, равным K, на фиг.2 показана эта же схема для иллюстрации возможности увеличения отношения величины высокого напряжения и амплитуды импульсов низкого напряжения K, на фиг.3 и фиг.4 представлены схемы предлагаемого двунаправленного понижающего преобразователя постоянного напряжения, выполненного по схеме фиг.1 соответственно при K=4 и K=6, на фиг.5 - временные диаграммы напряжений и токов, поясняющие принцип работы предлагаемого двунаправленного понижающего преобразователя постоянного напряжения, выполненного по схеме фиг.4.Figure 1 presents a diagram of the proposed bi-directional step-down DC-DC converter for the option with the ratio of the high voltage to the amplitude of the low voltage pulses equal to K, figure 2 shows the same circuit to illustrate the possibility of increasing the ratio of the high voltage and the amplitude of the low voltage pulses K , figure 3 and figure 4 presents a diagram of the proposed bidirectional buck converter DC voltage, made according to the scheme of figure 1, respectively, with K = 4 and K = 6, FIG. 5 is a timing diagram of voltages and currents explaining the principle of operation of the proposed bidirectional step-down DC-DC converter, made according to the scheme of figure 4.

Предлагаемый двунаправленный понижающий преобразователь постоянного напряжения (фиг.1) содержит два ключевых модуля (М) 1, 2, каждый из которых состоит из четырех последовательно соединенных одноименными выводами ключей, образованных встречно-параллельным соединением вентиля с полным управлением 3, например транзистора, и диода 4. Указанные модули образованы таким образом, что первый оконечный вывод модуля 1 соответствует катоду диода ключа, первый оконечный вывод модуля 2 - аноду диода ключа, а срединные точки двух указанных модулей служат выводами низкого напряжения. Кроме того, данный двунаправленный понижающий преобразователь постоянного напряжения содержит три аналогичных ключа, 2·(К/2-1)=К-2 дополнительных модуля 5, каждый из которых состоит из трех последовательно соединенных разноименными выводами аналогичных ключей, а также K конденсаторов 6, где K - четное число, большее двух, равное отношению величины высокого напряжения к амплитуде импульсов низкого напряжения. Первый вывод каждого из дополнительных модулей 5 соответствует выводу катода диода 4 первого из последовательно соединенных ключей, второй вывод соответствует точке соединения анода диода 4 второго ключа и катода диода 4 третьего ключа, третий вывод - точке соединения анода диода 4 первого ключа и катода диода 4 второго ключа, а четвертый - выводу анода диода 4 третьего ключа. К первым оконечным выводам модулей 1 и 2 подсоединены соответственно первый и второй выводы первого из K/2-1 подсоединенных дополнительных модулей 5, а первый и второй выводы каждого из последующих аналогичных модулей 5 подсоединены соответственно к третьему и четвертому выводам предыдущего модуля 5, ко вторым оконечным выводам модулей 1 и 2 подсоединены соответственно третий и четвертый выводы первого из K/2-1 подсоединенных дополнительных модулей 5, а третий и четвертый выводы каждого из последующих аналогичных модулей 5 подсоединены соответственно к первым и вторым выводам предыдущего модуля 5. Таким образом, K-2 дополнительных модуля 5 каскадно подсоединены к модулям 1 и 2 слева и справа. Конденсаторы 6 подсоединены между точками соединения соседних дополнительных модулей 5, между точками соединения модулей 1 и 2 с модулями 5, а также между не являющимися смежными выводами последних модулей 5, т.е. между выводами 3 и 4 последнего левого модуля 5 и между выводами 1 и 2 последнего правого модуля 5. Каждый из первых двух дополнительных аналогичных ключей подсоединен между первыми точками соединения ключей модулей 1 и 2, отсчитываемыми от срединных точек этих модулей, т.е. от выводов низкого напряжения соответственно влево и вправо, катодом диода 4 - к точке соединения анодов диодов 4 модуля 1, а анодом диода 4 - к точке соединения катодов диодов 4 модуля 2. Положительный и отрицательный выводы высокого напряжения предлагаемого двунаправленного понижающего преобразователя постоянного напряжения подсоединены к первому выводу последнего из модулей 5, каскадно подсоединенных ко вторым оконечным выводам модулей 1 и 2, и к четвертому выводу последнего из модулей 5, каскадно подсоединенных к первым оконечным выводам модулей 1 и 2, причем один из двух выводов высокого напряжения, либо положительный, либо отрицательный, подсоединен к указанному соответствующему выводу дополнительного модуля 5 непосредственно, а второй -через третий дополнительный аналогичный ключ, подсоединенный либо катодом диода 4 к положительному выводу высокого напряжения, как это показано на фиг.1, либо анодом диода 4 к отрицательному выводу высокого напряжения.The proposed bidirectional step-down DC-DC converter (Fig. 1) contains two key modules (M) 1, 2, each of which consists of four series-connected keys of the same name formed by a counter-parallel connection of a valve with full control 3, for example, a transistor, and a diode 4. These modules are formed so that the first terminal output of module 1 corresponds to the cathode of the diode key, the first terminal terminal of module 2 corresponds to the anode of the diode key, and the midpoints of the two indicated modules serve Low voltage terminals. In addition, this bidirectional step-down DC-DC converter contains three similar switches, 2 · (K / 2-1) = K-2 additional modules 5, each of which consists of three similar keys in series connected by opposite terminals, as well as K capacitors 6, where K is an even number greater than two equal to the ratio of the magnitude of the high voltage to the amplitude of the low voltage pulses. The first output of each of the additional modules 5 corresponds to the output of the cathode of the diode 4 of the first of the series-connected keys, the second output corresponds to the connection point of the anode of the diode 4 of the second key and the cathode of the diode 4 of the third key, the third output corresponds to the connection point of the anode of the diode 4 of the first key and the cathode of the second diode 4 key, and the fourth to the output of the anode of the diode 4 of the third key. The first and second outputs of the first of K / 2-1 connected additional modules 5 are connected to the first terminal outputs of modules 1 and 2, and the first and second outputs of each of the subsequent similar modules 5 are connected respectively to the third and fourth terminals of the previous module 5, to the second the terminal leads of modules 1 and 2 are connected, respectively, the third and fourth leads of the first of K / 2-1 connected additional modules 5, and the third and fourth leads of each of the subsequent similar modules 5 are connected respectively GOVERNMENTAL to first and second terminals previous module 5. Thus, K-2 additional modules 5 connected in cascade to the modules 1 and 2 on the left and right. Capacitors 6 are connected between the connection points of adjacent additional modules 5, between the connection points of modules 1 and 2 with modules 5, as well as between non-adjacent terminals of the last modules 5, i.e. between pins 3 and 4 of the last left module 5 and between pins 1 and 2 of the last right module 5. Each of the first two additional similar keys is connected between the first connection points of the keys of modules 1 and 2, counted from the midpoints of these modules, i.e. from the low voltage leads to the left and right, respectively, of the diode 4 cathode to the junction point of the anodes of the diodes 4 of module 1, and the diode 4 anode to the junction of the cathodes of the diodes 4 of module 2. The positive and negative high voltage leads of the proposed bidirectional step-down DC-converter are connected to the first terminal of the last of the modules 5 cascaded to the second terminal leads of the modules 1 and 2, and the fourth terminal of the last of the modules 5 cascaded to the first terminal leads modules 1 and 2, moreover, one of the two high voltage leads, either positive or negative, is directly connected to the indicated corresponding terminal of the additional module 5, and the second through the third additional similar key connected either by the cathode of diode 4 to the positive high voltage terminal, as this is shown in figure 1, either by the anode of the diode 4 to the negative terminal of the high voltage.

Предлагаемый двунаправленный понижающий преобразователь постоянного напряжения может быть представлен состоящим из элементарных ячеек (Я) 7, 8 и 9 различных видов, как это показано на фиг.2. Ячейка 7 является базовой, она содержит выводы для подключения цепи низкого напряжения и состоит из модулей 1 и 2 и подсоединенных соответственно к их первым и вторым оконечным выводам двух конденсаторов 6, а также двух ключей, подсоединенных к модулям 1 и 2 указанным выше способом. Ячейки 8 и 9 образуются из модуля 5 подсоединением конденсатора 6 соответственно к его третьему и четвертому и к первому и второму выводам. Увеличение на два отношения величины высокого напряжения к амплитуде импульсов низкого напряжения К достигается увеличением на единицу числа ячеек вида 8 слева и числа ячеек вида 9 справа от ячейки 7, к которой они подключаются каскадно.The proposed bi-directional step-down DC-DC converter can be represented as consisting of unit cells (I) 7, 8 and 9 of various types, as shown in Fig.2. Cell 7 is basic, it contains the terminals for connecting the low voltage circuit and consists of modules 1 and 2 and connected respectively to their first and second terminal leads of two capacitors 6, as well as two switches connected to modules 1 and 2 in the above manner. Cells 8 and 9 are formed from module 5 by connecting a capacitor 6, respectively, to its third and fourth and to the first and second terminals. An increase in two ratios of the magnitude of the high voltage to the amplitude of the low voltage pulses K is achieved by increasing by one the number of cells of type 8 to the left and the number of cells of type 9 to the right of cell 7, to which they are connected in cascade.

На фиг.3 показана минимальная конфигурация предлагаемого двунаправленного понижающего преобразователя постоянного напряжения (одна ячейка 8 слева и одна ячейка 9 справа от ячейки 7), соответствующая K=4, а на фиг.4 - схема с увеличенным на единицу количеством ячеек 8 и 9, соответствующая K=6.Figure 3 shows the minimum configuration of the proposed bidirectional step-down DC-DC converter (one cell 8 to the left and one cell 9 to the right of the cell 7), corresponding to K = 4, and Fig. 4 is a diagram with an increased unit number of cells 8 and 9, corresponding K = 6.

Предлагаемый двунаправленный понижающий преобразователь постоянного напряжения для случая К больше двух, где K - четное число (фиг.1, фиг.2), работает следующим образом. Конденсаторы 6 одинаковой емкости используются при одной полярности напряжения. На интервале заряда все K конденсаторов 6 через соответствующие открытые ключи ячеек 7, 8 и 9 подсоединяются последовательно и подключаются к выводам высокого напряжения с напряжением U_high, таким образом каждый из них заряжается до напряжения U_high/K, при этом выводы низкого напряжения соединяются накоротко при участии примыкающих к ним открытых ключей ячейки 7, формируя нулевую паузу. На интервале разряда все или часть конденсаторов 6 через соответствующие открытые ключи ячеек 7, 8 и 9 подсоединяются параллельно и подключаются к выводам низкого напряжения, формируя на них напряжение u_low с амплитудой импульса U_lowmax=U_high/K. Плавное регулирование среднего значения выходного низкого напряжения U_low, питающего, например, тяговый двигатель, может осуществляться, например, широтно-импульсным методом.The proposed bidirectional step-down DC-DC converter for the case K is more than two, where K is an even number (Fig. 1, Fig. 2), works as follows. Capacitors 6 of the same capacitance are used with the same voltage polarity. On the charge interval, all K capacitors 6 through the corresponding public keys of the cells 7, 8 and 9 are connected in series and connected to the high voltage terminals with a voltage U _high , so each of them is charged to a voltage U _high / K, while the low voltage terminals are short-circuited with the participation of the adjacent public keys of cell 7, forming a zero pause. On the discharge interval, all or part of the capacitors 6 through the corresponding public keys of the cells 7, 8 and 9 are connected in parallel and connected to the low voltage terminals, forming a voltage u _low on them with a pulse amplitude of U _lowmax = U _high / K. Smooth control of the average value of the output low voltage U _low , supplying, for example, a traction motor, can be carried out, for example, by pulse-width method.

На фиг.5 для одного из вариантов алгоритма управления показаны сигналы управления и временная диаграмма выходного низкого напряжения u_low предлагаемого двунаправленного понижающего преобразователя постоянного напряжения, выполненного по схеме фиг.4 для К=6, при этом использованы следующие обозначения:Figure 5 for one of the variants of the control algorithm shows the control signals and the timing diagram of the output low voltage u _{low of the} proposed bidirectional step-down DC-DC converter, made according to the scheme of figure 4 for K = 6, with the following notation:

ssaw - пилообразный опорный сигнал;ssaw - sawtooth reference signal;

sref - сигнал, задающий коэффициент заполнения импульсов низкого напряжения;sref is a signal that sets the duty cycle of low voltage pulses;

sh1, …, sh4 и s1h, …, s4h - сигналы управления отсчитываемых соответственно вправо и влево от срединной точки модуля ключей модуля 1 и далее продолжающих модуль 1 первых (верхних) ключей дополнительных модулей 5, подсоединенных соответственно справа и слева от модуля 1;sh1, ..., sh4 and s1h, ..., s4h are control signals counted respectively to the right and left of the midpoint of the key module of module 1 and then continuing module 1 of the first (upper) keys of additional modules 5 connected respectively to the right and left of module 1;

sl1, …, sl4 и sl1, …, s41 - сигналы управления отсчитываемых соответственно вправо и влево от срединной точки модуля ключей модуля 2 и далее продолжающих модуль 2 третьих (нижних) ключей дополнительных модулей 5, подсоединенных соответственно справа и слева от модуля 2;sl1, ..., sl4 and sl1, ..., s41 are control signals counted respectively to the right and left of the midpoint of the key module of module 2 and further extending module 2 of the third (lower) keys of additional modules 5 connected respectively to the right and left of module 2;

sp1, …, sp3 и s1p, …, s3p - сигналы управления отсчитываемых соответственно вправо и влево от выводов низкого напряжения дополнительного ключа ячейки 7 и далее вторых (средних) ключей дополнительных модулей 9 и 8, подсоединенных соответственно справа и слева от ячейки 7;sp1, ..., sp3 and s1p, ..., s3p are control signals counted respectively to the right and left of the low voltage terminals of the additional key of cell 7 and then the second (middle) keys of additional modules 9 and 8, connected respectively to the right and left of cell 7;

ss - сигнал управления дополнительного ключа, подсоединенного последовательно с цепью высокого напряжения, а именно непосредственно подсоединенного к одному из выводов высокого напряжения;ss is the control signal of an additional key connected in series with the high voltage circuit, namely, directly connected to one of the high voltage terminals;

Тс - период импульсов управления, Тс/2 - период пилообразного опорного сигнала ssaw и период последовательности импульсов выходного низкого напряжения u_low. Интервал заряда соответствует условию ssaw>sref, в противном случае к выводам низкого напряжения через соответствующие открытые ключи параллельно подсоединяются предварительно заряженные конденсаторы 6. При принятом варианте алгоритма управления на нечетном и четном тактах формирования импульсов выходного низкого напряжения u_low они образуются путем подключения конденсаторов 6, расположенных соответственно справа и слева от выводов низкого напряжения. Не используемые на такте K/2 конденсаторы 6, будучи подсоединенными последовательно друг к другу и к источнику питания, выполняют роль балласта, позволяя уменьшить наибольшее значение напряжения, прикладываемого к закрытому дополнительному ключу, подсоединенному последовательно с цепью высокого напряжения, с величины U_high - U_lowmax=(K-1)·U_lowmax до величины U_high/2-U_lowmax=(K/2-1)·U_lowmax. Напряжения на каждом из остальных ключей и на каждом из конденсаторов 6 не превышают U_lowmax.Tc is the period of the control pulses, Tc / 2 is the period of the sawtooth reference signal ssaw and the period of the pulse sequence of the output low voltage u _low . The charge interval corresponds to the condition ssaw> sref, otherwise, precharged capacitors 6 are connected in parallel to the low voltage terminals via the corresponding public keys. With the accepted version of the control algorithm, the output pulses of the output low voltage u _low are odd and even, they are formed by connecting capacitors 6, located respectively to the right and left of the low voltage leads. Capacitors 6, which are not used on the K / 2 clock cycle, being connected in series with each other and with the power supply, act as a ballast, allowing to reduce the maximum voltage applied to the closed auxiliary switch connected in series with the high voltage circuit from U _high - U _lowmax = (K-1) · U _lowmax to U _high / 2-U _lowmax = (K / 2-1) · U _lowmax . The voltages at each of the other switches and at each of the capacitors 6 do not exceed U _lowmax .

Рекуперация электрической энергии имеет место в режиме генераторного торможения, когда ЭДС тяговой машины, подключенной последовательно со сглаживающим реактором к выводам низкого напряжения, оказывается больше среднего значения напряжения последовательности импульсов конвертора U_low. Ток в цепи машины во время действия импульса спадает, заряжая конденсаторы 6 конвертора, включенные параллельно. Во время нулевой паузы последовательности импульсов u_low ток машины нарастает, накапливая энергию в индуктивности сглаживающего реактора. Конденсаторы 6 при этом включаются последовательно и, имея результирующее напряжение больше напряжения контактной сети U_high на выводах высокого напряжения, разряжаются на сеть, возвращая в нее энергию.The recovery of electric energy takes place in generator braking mode, when the EMF of the traction machine connected in series with the smoothing reactor to the low voltage terminals turns out to be greater than the average voltage value of the pulse train U _low . The current in the circuit of the machine during the pulse decreases, charging the capacitors 6 of the Converter, connected in parallel. During the zero pause of the pulse train u _low , the machine current rises, accumulating energy in the inductance of the smoothing reactor. The capacitors 6 are turned on in series and, having a resulting voltage greater than the voltage of the contact network U _high at the high voltage terminals, are discharged to the network, returning energy to it.

Таким образом, предлагаемый двунаправленный понижающий преобразователь постоянного напряжения по сравнению с прототипом имеет меньшие потери активной мощности в конденсаторах, т.к. использует конденсаторы с предельными значениями напряжения, не превышающими амплитуду импульсов напряжения на выводах низкого напряжения преобразователя.Thus, the proposed bidirectional step-down DC-DC converter in comparison with the prototype has less loss of active power in the capacitors, because uses capacitors with voltage limits that do not exceed the amplitude of the voltage pulses at the low voltage terminals of the converter.

Claims

A bi-directional step-down DC-DC converter, containing capacitors and two modules, each of which consists of series-connected keys, each of which, in turn, is formed by an anti-parallel connection of a fully controlled valve and a diode, the first terminal output of the first module corresponding to the cathode of the diode key, and the first terminal output of the second module corresponds to the anode of the diode key, characterized in that it additionally introduced one capacitor, three similar keys and K-2 additional dividing modules, each of which consists of three similar keys connected in opposite terminals, where K is an even number greater than two equal to the ratio of the high voltage to the amplitude of the low voltage pulses, and these keys in the first and second modules are connected by the same terminals, and the middle the points of these modules serve as low voltage outputs, two of the additional similar keys are connected one by one between the first connection points of the keys of the first and second modules, from the left and right low voltage leads, diode cathodes to the junction points of the diodes of the first module, and the diode anodes to the junction points of the diodes of the second module, additional modules are cascaded to the first and second modules symmetrically with respect to them left and right, namely the first the terminal leads of the first and second modules are connected, respectively, the first and second terminals of the first of K / 2-1 connected to the specified first terminal terminals of the additional modules, and the first and second conclusions of each and subsequent similar modules are connected respectively to the third and fourth terminals of the previous module, where the first output of each of the additional modules corresponds to the output of the diode cathode of the first of the keys connected in series, the second output corresponds to the connection point of the second diode anode and the third key diode cathode, the third output to the connection point the anode of the diode of the first key and the cathode of the diode of the second key, and the fourth to the output of the anode of the diode of the third key, to the second terminal terminals of the first and second modules the third and fourth terminals of the first of K / 2-1 connected to the indicated second terminal terminals of the additional modules are connected, and the third and fourth terminals of each of the subsequent similar modules are connected respectively to the first and second terminals of the previous module, K capacitors are connected one at a time between the connection points corresponding terminal outputs of the first and second modules with additional modules, between the connection points of adjacent additional modules and between the third and fourth, and between the first and second terminal outputs of the last of the connected additional modules, respectively, and the positive and negative high voltage terminals are connected to the first terminal of the last of the additional modules connected to the second terminal terminals of the first and second modules, and to the fourth terminal of the last of the additional modules connected to the first terminal outputs of the first and second modules, and one of the two high voltage terminals, either positive or negative, is connected to CB corresponding additonal module directly, and the second - through the third additional key is the same, either the diode cathode connected to the positive terminal of the high voltage or anode of the diode to the negative terminal of high voltage, said first and second modules each comprise four key.