RU2454779C1

RU2454779C1 - Two-directional down converter of constant voltage

Info

Publication number: RU2454779C1
Application number: RU2010150457/07A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Степанович Зиновьев (RU); Геннадий Степанович Зиновьев; Николай Николаевич Лопаткин (RU); Николай Николаевич Лопаткин
Priority date: 2010-12-08
Filing date: 2010-12-08
Publication date: 2012-06-27

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: two-directional down converter of constant voltage (TVDC) can be used as high-voltage dc-dc converter of average capacity in systems of direct current electric equipment, for example for direct current electric locomotives with voltage of 3 (1.5) kV for power supply from contact system with increased voltage (12 (6) kV, 18 (9) kV, etc.), so that galvanic isolation of supply mains and load is provided. The proposed TVDC with ratio of high voltage value to amplitude of voltage pulses of primary winding of transformer, which is equal to K, where K - even number which is higher than two, includes 3·(K-1) switches formed with opposite parallel connection of valve with complete control and diode, one two-directional completely controlled switch, K capacitors used at the same voltage polarity, transformer having one primary winding and one secondary winding, and rectifier which is used at increased frequency and which is reversible as to current.

EFFECT: two-directional down converter of constant voltage uses insulation load more effectively owing to providing galvanic isolation of supply mains and load, which leads to improvement of insulation reliability of output chains of converter and load.

2 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.), с обеспечением гальванической развязки питающей сети и нагрузки.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 an increased voltage (12 (6) kV, 18 (9) kV, etc.), ensuring galvanic isolation of the supply network and load.

Известен двунаправленный понижающий преобразователь постоянного напряжения, с отношением величины высокого напряжения к амплитуде импульсов низкого напряжения, равным K, 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 K, указанные ключи в модулях соединены разноименными выводами, количество конденсаторов K-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 (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.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. c.999, Fig.1, где K=3).Known bidirectional step-down DC-DC Converter, with the ratio of the magnitude of the high voltage to the amplitude of the low voltage pulses equal to K, 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 the valve with full control and a 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 cha, with the number of keys connected in series in each of the modules K, the indicated keys in the modules are connected with opposite terminals, the number of capacitors K-1, the outputs of each of them are connected to the connection points of the key terminals of different modules having the same numbers n when counting from the low terminals voltage, where n are positive integers of the natural number 1, 2, 3, 4, K-1, the positive high voltage terminal is connected to the first terminal terminal of the first module, the negative high and low voltage terminals are connected to the first terminal of the second module, the positive low voltage terminal is connected to the connection point of the second terminal of the first and second modules (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, see p. 835, Fig. 7, and G. Gateau, M. Fadel, P. Maussion, R. Bensaid, TAMeynard. 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 c.999, Fig. 1, where K = 3).

Однако указанный двунаправленный понижающий преобразователь постоянного напряжения, с отношением величины высокого напряжения к амплитуде импульсов низкого напряжения, равным K, 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, the indicated bi-directional step-down DC-DC converter, with the ratio of the high voltage to the amplitude of the low voltage pulses equal to K, 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 capacitors.

Кроме того, известен двунаправленный понижающий преобразователь постоянного напряжения (Зиновьев Г.С, Лопаткин Н.Н. Двунаправленный понижающий преобразователь постоянного напряжения. Патент РФ №2394344. Опубл. 10.07.2010, Бюл. №19), взятый за прототип, содержащий K конденсаторов, K модулей трех типов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных ключей, каждый из которых, в свою очередь, образован встречно-параллельным соединением вентиля с полным управлением и диода, где K - четное число, большее двух, и аналогичный ключ, каждый из K-2 модулей первого типа состоит из трех последовательно соединенных разноименными выводами ключей, первый из первой группы K/2-1 каскадно соединенных модулей первого типа подсоединен первым выводом к положительному выводу высокого напряжения, первый из второй группы K/2-1 каскадно соединенных модулей первого типа подсоединен четвертым выводом к отрицательному выводу высокого напряжения, при подсоединении последующих модулей указанных групп первые и вторые-выводы модулей подсоединены, соответственно, к третьим и к четвертым выводам соседних модулей, где первый вывод каждого из модулей первого типа 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, один из двух выводов высокого напряжения, либо положительный, либо отрицательный, подсоединен к соответствующему выводу первого модуля соответствующей группы модулей первого типа непосредственно, а второй - через указанный аналогичный ключ, подсоединенный либо катодом диода к положительному выводу высокого напряжения, либо анодом диода к отрицательному выводу высокого напряжения, K конденсаторов подсоединены между первым и вторым выводами, а также между третьим и четвертым выводами модулей первого типа по одному без дублирования в точках соединения соседних модулей первого типа, причем в единственном модуле второго типа и в единственном модуле третьего типа ключей содержится по четыре, и они последовательно соединены одноименными выводами, первый оконечный вывод модуля второго типа соответствует катоду диода ключа, первый оконечный вывод модуля третьего типа соответствует аноду диода ключа, два аналогичных ключа подсоединены по одному между первыми точками соединения ключей модулей второго и третьего типа, отсчитываемыми от срединных точек этих модулей, т.е. точек соединения второго и третьего последовательно соединенных ключей, влево и вправо, катодами диодов к точкам соединения анодов диодов модуля второго типа, а анодами диодов к точкам соединения катодов диодов модуля третьего типа, первые оконечные выводы модулей второго и третьего типов подсоединены, соответственно, к первому и второму выводам последнего модуля второй группы K/2-1 каскадно соединенных модулей первого типа, вторые оконечные выводы модулей второго и третьего типа подсоединены, соответственно, к третьему и четвертому выводам последнего модуля первой группы K/2-1 каскадно соединенных модулей первого типа, а срединные точки модулей второго и третьего типа служат выводами низкого напряжения.In addition, a bidirectional step-down DC-DC converter is known (Zinoviev G.S., Lopatkin N.N. Bidirectional step-down DC-voltage converter. RF patent No. 2394344. Publish. July 10, 2010, Bull. No. 19), taken as a prototype containing K capacitors , K modules of three types, 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, where K is an even number greater than two, and a similar key, each of K-2 fashion The first type consists of three serially connected opposite keys leads, the first of the first group K / 2-1 of cascade-connected modules of the first type is connected by the first terminal to the positive high-voltage terminal, the first of the second group of K / 2-1 of cascade-connected modules of the first type is connected the fourth terminal to the negative terminal of the high voltage, when connecting subsequent modules of the indicated groups, the first and second terminals of the modules are connected, respectively, to the third and fourth terminals of adjacent muzzle, where the first output of each of the modules of the first type corresponds to the output of the cathode of the diode of the first of the series-connected keys, the second output corresponds to the connection point of the anode of the diode of the second key and the cathode of the diode of the third key, the third output corresponds to the connection point of the anode of the diode of the first key and the cathode of the second key diode, and the fourth - to the output of the anode of the diode of the third key, one of the two high voltage terminals, either positive or negative, is connected to the corresponding terminal of the first module of the corresponding group of modules of the first type directly, and the second through the specified 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, K capacitors are connected between the first and second terminals, as well as between the third and fourth terminals of the modules of the first type one at a time without duplication at the connection points of neighboring modules of the first type, and in a single module of the second type and in a single module of the third type of keys there are four each, and they are subsequently are connected by the same terminals, the first terminal of the second type of module corresponds to the cathode of the diode of the key, the first terminal of the third type of module corresponds to the anode of the diode of the key, two similar keys are connected one by one between the first connection points of the keys of the modules of the second and third type, counted from the midpoints of these modules , i.e. the connection points of the second and third series-connected keys, left and right, by the cathodes of the diodes to the connection points of the anodes of the diodes of the module of the second type, and by the anodes of the diodes to the connection points of the cathodes of the diodes of the module of the third type, the first terminal leads of the modules of the second and third types are connected, respectively, to the first and to the second terminals of the last module of the second group K / 2-1 of cascade-connected modules of the first type, the second terminal outputs of the modules of the second and third type are connected, respectively, to the third and fourth terminals I give the last module of the first group K / 2-1 cascade-connected modules of the first type and modules midpoints of the second and third type are low voltage terminals.

Однако этот двунаправленный понижающий преобразователь постоянного напряжения не имеет гальванической развязки питающей сети и нагрузки, что требует высоковольтной изоляции нагрузки относительно источника питания (на половину напряжения источника питания), один из выводов которого связан с землей (рельсы).However, this bidirectional step-down DC-DC converter does not have galvanic isolation of the supply network and load, which requires high-voltage isolation of the load relative to the power source (half the voltage of the power source), one of the terminals of which is connected to the ground (rails).

Задачей предлагаемого изобретения является создание двунаправленного понижающего преобразователя постоянного напряжения с гальванической изоляцией нагрузки (и этим самым улучшением ее использования по изоляции путем снижения требования к изоляции), т.е. с увеличением надежности изоляции выходных цепей преобразователя и нагрузки.The objective of the invention is the creation of a bi-directional step-down DC-DC converter with galvanic isolation of the load (and thereby improving its use in isolation by reducing the insulation requirement), i.e. with increasing reliability of isolation of the converter output circuits and load.

Это достигается тем, что в двунаправленный понижающий преобразователь постоянного напряжения, содержащий K конденсаторов, K модулей трех типов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных ключей, каждый из которых, в свою очередь, образован встречно-параллельным соединением вентиля с полным управлением и диода, где K - четное число, большее двух, и аналогичный ключ, каждый из K-2 модулей первого типа состоит из трех последовательно соединенных разноименными выводами ключей, первый из первой группы K/2-1 каскадно соединенных модулей первого типа подсоединен первым выводом к положительному выводу высокого напряжения, первый из второй группы K/2-1 каскадно соединенных модулей первого типа подсоединен четвертым выводом к отрицательному выводу высокого напряжения, при подсоединении последующих модулей указанных групп первые и вторые выводы модулей подсоединены, соответственно, к третьим и к четвертым выводам соседних модулей, где первый вывод каждого из модулей первого типа 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, один из двух выводов высокого напряжения, либо положительный, либо отрицательный, подсоединен к соответствующему выводу первого модуля соответствующей группы модулей первого типа непосредственно, а второй - через указанный аналогичный ключ, подсоединенный либо катодом диода к положительному выводу высокого напряжения, либо анодом диода к отрицательному выводу высокого напряжения, K конденсаторов подсоединены между первым и вторым выводами, а также между третьим и четвертым выводами модулей первого типа по одному без дублирования в точках соединения соседних модулей первого типа, дополнительно введены трансформатор, имеющий одну первичную и одну вторичную обмотки, и реверсивный по току выпрямитель, модуль второго типа состоит из двух последовательно соединенных разноименными выводами аналогичных ключей, первый вывод модуля второго типа, соответствующий катоду диода первого ключа, подсоединен к третьему выводу последнего модуля первой группы K/2-1 каскадно соединенных модулей первого типа, а второй вывод модуля второго типа, соответствующий аноду диода второго ключа, подсоединен к второму выводу последнего модуля второй группы K/2-1 каскадно соединенных модулей первого типа, модуль третьего типа представляет собой двунаправленный полностью управляемый электрический вентиль и состоит, например, из двух последовательно соединенных одноименными выводами аналогичных ключей, первый вывод модуля третьего типа подсоединен к четвертому выводу последнего модуля первой группы и к первому выводу последнего модуля второй группы K/2-1 каскадно соединенных модулей первого типа, а также к первому выводу первичной обмотки трансформатора, второй вывод модуля третьего типа подсоединен к точке соединения ключей модуля второго типа, а также к второму выводу первичной обмотки трансформатора, выводы вторичной обмотки трансформатора подсоединены к входным выводам реверсивного выпрямителя, выходные выводы которого служат выводами низкого напряжения преобразователя.This is achieved by the fact that in a bidirectional step-down DC-DC converter containing K capacitors, K modules of three types, 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, where K is an even number greater than two and a similar key, each of the K-2 modules of the first type consists of three sequentially connected by unlike key outputs, the first of the first group K / 2-1 cascaded modules to it of the first type is connected by the first terminal to the positive terminal of the high voltage, the first of the second group K / 2-1 of cascade-connected modules of the first type is connected by the fourth terminal to the negative terminal of the high voltage, when connecting subsequent modules of the indicated groups, the first and second conclusions of the modules are connected, respectively, to the third and fourth conclusions of neighboring modules, where the first output of each of the modules of the first type corresponds to the output of the cathode of the diode of the first of the series-connected keys, the second you One corresponds to the connection point of the anode of the diode of the second key and the cathode of the diode of the third key, the third output to the connection point of 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, one of the two high voltage outputs, either positive or negative connected to the corresponding terminal of the first module of the corresponding group of modules of the first type directly, and the second through the specified similar key, connected either by the cathode of the diode to the positive terminal of high voltage voltage, or by the anode of the diode to the negative terminal of the high voltage, K capacitors are connected between the first and second terminals, as well as between the third and fourth terminals of the modules of the first type, one at a time without duplication at the connection points of adjacent modules of the first type, an additional transformer having one primary and one secondary winding, and a current-reversing rectifier, a module of the second type consists of two series-wise unlike terminals of similar keys, the first output of a module of the second type, respectively the cathode of the diode of the first key is connected to the third terminal of the last module of the first group K / 2-1 of cascade-connected modules of the first type, and the second terminal of the module of the second type corresponding to the anode of the diode of the second key is connected to the second terminal of the last module of the second group K / 2- 1 of cascade-connected modules of the first type, the module of the third type is a bi-directional fully controllable electric valve and consists, for example, of two similar keys connected in series with the same terminals the output terminal of the third type module is connected to the fourth terminal of the last module of the first group and to the first terminal of the last module of the second group K / 2-1 of cascaded modules of the first type, as well as to the first terminal of the transformer primary winding, the second terminal of the third type of module is connected to the connection point the keys of the module of the second type, as well as to the second terminal of the primary winding of the transformer, the terminals of the secondary winding of the transformer are connected to the input terminals of the reversing rectifier, the output terminals of which serve as the output E low voltage inverter.

На фиг.1 представлена схема предлагаемого двунаправленного понижающего преобразователя постоянного напряжения, с отношением величины высокого напряжения к амплитуде импульсов напряжения на первичной обмотке трансформатора, равным K, а на фиг.2 представлены временные диаграммы напряжений и токов, поясняющие принцип его работы.Figure 1 presents a diagram of the proposed bidirectional step-down DC-DC converter, with the ratio of the magnitude of the high voltage to the amplitude of the voltage pulses on the primary winding of the transformer equal to K, and figure 2 presents time diagrams of voltages and currents explaining the principle of its operation.

Предлагаемый двунаправленный понижающий преобразователь постоянного напряжения (фиг.1) содержит 2·(K/2-1)=K-2 ключевых модулей (M) 1, каждый из которых состоит из трех последовательно соединенных разноименными выводами ключей, образованных встречно-параллельным соединением вентиля с полным управлением 2, например, транзистора, и диода 3, где K - четное число, большее двух, равное отношению величины высокого напряжения к амплитуде импульсов1 напряжения первичной обмотки трансформатора. Первый вывод каждого из ключевых модулей 1 соответствует выводу катода диода 3 первого из последовательно соединенных ключей, второй вывод соответствует точке соединения анода диода 3 второго ключа и катода диода 3 третьего ключа, третий вывод - точке соединения анода диода 3 первого ключа и катода диода 3 второго ключа, а четвертый - выводу анода диода 3 третьего ключа. Кроме того, данный двунаправленный понижающий преобразователь постоянного напряжения содержит ключевые модули 4 и 5, одиночный аналогичный ключ, K конденсаторов 6, а также трансформатор (T) 7 и реверсивный по току выпрямитель (PB) 8. Модуль 4 состоит из двух последовательно соединенных разноименными выводами аналогичных ключей, его первый вывод соответствует катоду диода 3 первого ключа, а второй вывод - аноду диода 3 второго ключа. Модуль 5 представляет собой двунаправленный полностью управляемый, электрический вентиль и состоит, например, из двух последовательно соединенных одноименными выводами аналогичных ключей. Трансформатор 7 имеет одну первичную и одну вторичную обмотки и обладает характеристиками, позволяющими ему работать на повышенной частоте (несколько килогерц). Реверсивный по току (с двухквадрантной внешней характеристикой) выпрямитель 8 собран на управляемых вентилях, например, на тиристорах, по любой известной схеме (см., например, с.598 в издании: Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники: Учеб. пособие. Изд. 3-е, испр. и доп. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. 672 с.). Первый из первой группы K/2-1 каскадно-соединенных модулей 1 подсоединен первым выводом к положительному выводу высокого напряжения, первый из второй группы K/2-1 каскадно соединенных модулей 1 подсоединен четвертым выводом к отрицательному выводу высокого напряжения, причем один из двух выводов высокого напряжения подсоединен к соответствующему выводу модуля 1 соответствующей группы модулей 1 непосредственно, а второй - через указанный аналогичный ключ, подсоединенный либо катодом диода 3 к положительному выводу высокого напряжения, либо анодом диода 3 к отрицательному выводу высокого напряжения. При подсоединении последующих модулей указанных групп первые и вторые выводы модулей 1 подсоединены, соответственно, к третьим и к четвертым выводам соседних модулей 1. K конденсаторов подсоединены между первым и вторым выводами, а также между третьим и четвертым выводами модулей 1 по одному без дублирования в точках соединения соседних модулей 1. Первый вывод модуля 4 подсоединен к третьему выводу последнего модуля 1 первой группы K/2-1 каскадно соединенных модулей 1, а второй вывод модуля 4 - к второму выводу последнего модуля 1 второй группы K/2-1 - каскадно соединенных модулей 1. Первый вывод модуля 5 подсоединен к четвертому выводу последнего модуля 1 первой группы и к первому выводу последнего модуля 1 второй группы K/2-1 каскадно соединенных модулей 1, а также к первому выводу первичной обмотки трансформатора 7, второй вывод модуля 5 подсоединен к точке соединения ключей модуля 4, а также к второму выводу первичной обмотки трансформатора 7. Выводы вторичной обмотки трансформатора 7 подсоединены к входным выводам реверсивного выпрямителя 8, выходные выводы которого служат выводами низкого напряжения преобразователя.The proposed bidirectional step-down DC-DC converter (Fig. 1) contains 2 · (K / 2-1) = K-2 key modules (M) 1, each of which consists of three keys connected in series by opposite terminals formed by an anti-parallel valve connection with full control 2, for example, a transistor, and diode 3, where K is an even number greater than two, equal to the ratio of the high voltage to the amplitude of the pulses1 of the voltage of the primary winding of the transformer. The first output of each of the key modules 1 corresponds to the output of the cathode of diode 3 of the first of the series-connected keys, the second output corresponds to the connection point of the anode of diode 3 of the second key and the cathode of diode 3 of the third key, the third output corresponds to the connection point of the anode of diode 3 of the first key and cathode of diode 3 of the second key, and the fourth to the output of the anode of the diode 3 of the third key. In addition, this bidirectional DC-DC buck converter contains key modules 4 and 5, a single similar switch, K capacitors 6, as well as a transformer (T) 7 and a current-reversing rectifier (PB) 8. Module 4 consists of two series-connected opposite terminals similar keys, its first output corresponds to the cathode of the diode 3 of the first key, and the second output corresponds to the anode of the diode 3 of the second key. Module 5 is a bi-directional fully controllable, electric valve and, for example, consists of two similar keys connected in series with the same terminals. Transformer 7 has one primary and one secondary winding and has characteristics that allow it to operate at an increased frequency (several kilohertz). The current reversing (with a two-quadrant external characteristic) rectifier 8 is assembled on controlled valves, for example, on thyristors, according to any known scheme (see, for example, p.598 in the publication: G. Zinoviev, Fundamentals of Power Electronics: Textbook. 3rd ed., Rev. And add. - Novosibirsk: Publishing house of NSTU, 2004.672 p.). The first of the first group K / 2-1 of cascade-connected modules 1 is connected by the first terminal to the positive terminal of the high voltage, the first of the second group of K / 2-1 cascade-connected modules 1 is connected by the fourth terminal to the negative terminal of the high voltage, one of the two terminals the high voltage is connected to the corresponding terminal of module 1 of the corresponding group of modules 1 directly, and the second through the specified similar key, connected either to the cathode of the diode 3 to the positive terminal of the high voltage, or nodom diode 3 to the negative terminal of high voltage. When connecting subsequent modules of the indicated groups, the first and second outputs of modules 1 are connected, respectively, to the third and fourth outputs of neighboring modules 1. K capacitors are connected between the first and second outputs, as well as between the third and fourth outputs of modules 1, one at a time without duplication at the points connections of adjacent modules 1. The first output of module 4 is connected to the third terminal of the last module 1 of the first group K / 2-1 of cascaded modules 1, and the second terminal of module 4 is connected to the second terminal of the last module 1 of the second group K / 2-1 - cascade-connected modules 1. The first terminal of module 5 is connected to the fourth terminal of the last module 1 of the first group and to the first terminal of the last module 1 of the second group K / 2-1 of cascade-connected modules 1, as well as to the first terminal of the transformer 7 primary winding , the second terminal of module 5 is connected to the connection point of the keys of module 4, as well as to the second terminal of the primary winding of the transformer 7. The terminals of the secondary winding of the transformer 7 are connected to the input terminals of the reversing rectifier 8, the output terminals of which serve as conclusions on viscous voltage converter.

Увеличение на два отношения величины высокого напряжения к амплитуде импульсов напряжения на первичной обмотке трансформатора K достигается увеличением на два числа каскадно подключаемых модулей 1 (по одному в первой и во второй группах этих модулей) и конденсаторов 6.An increase in two ratios of the magnitude of the high voltage to the amplitude of the voltage pulses on the primary winding of the transformer K is achieved by increasing by two numbers of cascade-connected modules 1 (one in the first and second groups of these modules) and capacitors 6.

Предлагаемый двунаправленный понижающий преобразователь постоянного напряжения, с отношением величины высокого напряжения к амплитуде импульсов напряжения на первичной обмотке трансформатора 7, равным K, где K - четное число, большее двух (фиг.1), работает следующим образом. Конденсаторы 6 одинаковой емкости используются при одной полярности напряжения. На интервалах заряда все K конденсаторов 6 через соответствующие открытые ключи модулей 1 подсоединяются последовательно и через аналогичный ключ подключаются к выводам высокого напряжения с напряжением U_high, таким образом, каждый из них заряжается примерно до напряжения U_high/K, при этом выводы первичной обмотки трансформатора 7 соединяются накоротко играющим роль нулевого вентиля двунаправленным полностью управляемым электрическим вентилем (модуль 5), формируя тем самым нулевую паузу выходного напряжения u_low. На нечетном интервале разряда конденсаторы 6, расположенные в левой части схемы (фиг.1), через соответствующие открытые ключи модулей 1 первой группы подсоединяются параллельно друг другу и через открытый нижний ключ модуля 4 подключаются к выводам первичной обмотки трансформатора 7, образуя импульс напряжения положительной полярности. На четном интервале разряда, конденсаторы 6, расположенные в правой части схемы (фиг.1), через соответствующие открытые ключи модулей 1 второй группы подсоединяются параллельно друг другу и через открытый верхний ключ модуля 4 подключаются к выводам первичной обмотки трансформатора 7, образуя импульс напряжения отрицательной полярности. На выходе выпрямителя 8 однополярные импульсы выходного напряжения u_low имеют амплитуду U_lowmax=U_high/(K·K_тр), где K_тр - коэффициент трансформации трансформатора 7. Плавное регулирование среднего значения U_lowcp выходного низкого напряжения u_low, питающего, например, тяговый двигатель, может осуществляться, например, методом широтно-импульсного регулирования скважности импульсов положительной и отрицательной полярности напряжений соответствующих первичных обмоток трансформатора 7. Как и в прототипе, напряжения на каждом из ключей модулей 1 и на каждом из конденсаторов 6 не превышают U_high/K.The proposed bi-directional step-down DC-DC converter, with the ratio of the magnitude of the high voltage to the amplitude of the voltage pulses on the primary winding of the transformer 7, equal to K, where K is an even number greater than two (figure 1), works as follows. Capacitors 6 of the same capacitance are used with the same voltage polarity. At charge intervals, all K capacitors 6 are connected in series through the corresponding public keys of modules 1 and connected to high voltage terminals with a voltage U _high through a similar key, thus, each of them is charged up to voltage U _high / K, while the terminals of the transformer primary winding 7 are connected by a bi-directional fully controllable electric valve (module 5), which plays the role of a zero gate, in short, thereby forming a zero pause of the output voltage u _low . On an odd discharge interval, capacitors 6, located on the left side of the circuit (Fig. 1), are connected parallel to each other through the corresponding public keys of the modules of the first group 1 and connected to the terminals of the primary winding of the transformer 7 through the open lower key of the module 4, forming a voltage pulse of positive polarity . On an even discharge interval, the capacitors 6 located on the right side of the circuit (Fig. 1) are connected parallel to each other through the corresponding public keys of the modules of the second group and connected to the terminals of the primary winding of the transformer 7 through the open top key of the module 4, forming a negative voltage pulse polarity. At the output of the rectifier 8, unipolar pulses of the output voltage u _low have an amplitude U _lowmax = U _high / (K · K _Tr ), where K _Tr is the transformation coefficient of the transformer 7. Smooth adjustment of the average value U _{lowcp of the} output low voltage u _low , feeding, for example, the traction motor can be carried out, for example, by the method of pulse-width control of duty cycle of pulses of positive and negative polarity of the voltages of the corresponding primary windings of the transformer 7. As in the prototype, the voltages on each of the keys of the modules 1 and each of the capacitors 6 do not exceed U _high / K.

Рекуперация электрической энергии имеет место в режиме генераторного торможения, когда ЭДС тяговой машины, подключенной последовательно со сглаживающим реактором к выходным выводам реверсивного по току выпрямителя 8, оказывается больше среднего значения U_lowcp напряжения последовательности импульсов конвертора u_low. Включенные параллельно конденсаторы 6 конвертора заряжаются от импульсов соответствующих полярностей ЭДС, наводимой в первичной обмотке трансформатора 7. 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.Electric energy recovery takes place in generator braking mode, when the EMF of the traction machine connected in series with the smoothing reactor to the output terminals of the current-reversing rectifier 8 is greater than the average value U _{lowcp of the} voltage of the pulse train of the converter u _low . The converter capacitors 6 connected in parallel are charged from pulses of the corresponding EMF polarities induced in the primary winding of the transformer 7. During a zero pause of the pulse train u _{low, the} current of the machine 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.

На фиг.2 для одного из вариантов алгоритма управления, для случая тиристорного реверсивного выпрямителя с нулевым углом управления, показаны временные диаграммы входного тока (потребляемого от источника высокого напряжения) i_in, напряжений на конденсаторах левой и правой частей схемы u_C1 и u_C2, напряжения и тока первичной обмотки трансформатора 7 u₁ и i₁, выходных напряжения u_low, и тока i_out предлагаемого двунаправленного понижающего преобразователя постоянного напряжения, выполненного по схеме фиг.1 при K=6. При этом использованы следующие обозначения: Tc - период переменного напряжения, например, на первичной обмотке трансформатора 7, Tc/2 - период повторения последовательности импульсов выходного низкого напряжения на выходе реверсивного выпрямителя 8 и всего преобразователя в целом u_low; U_lmax - наибольшее значение напряжения первичной обмотки трансформатора 7, U_1max=U_high/K.Figure 2 for one of the variants of the control algorithm, for the case of a thyristor reversible rectifier with a zero control angle, shows the timing diagrams of the input current (consumed from a high voltage source) i _in , the voltages on the capacitors of the left and right parts of the circuit u _C1 and u _C2 , voltage and current of the primary winding of the transformer 7 u ₁ and i ₁ , output voltage u _low , and current i _{out of the} proposed bidirectional step-down DC-DC converter, made according to the scheme of figure 1 with K = 6. The following notation was used: Tc - period of alternating voltage, for example, on the primary winding of transformer 7, Tc / 2 - period of repetition of a sequence of pulses of the output low voltage at the output of the reversing rectifier 8 and the entire converter as a whole u _low ; U _lmax - the largest value of the voltage of the primary winding of the transformer 7, U _1max = U _high / K.

Таким образом, предлагаемый двунаправленный понижающий преобразователь постоянного напряжения по сравнению с прототипом лучше использует нагрузку по изоляции, т.е. благодаря обеспечению гальванической развязки питающей сети и нагрузки, имеет меньшие требования к изоляции, что приводит к увеличению надежности изоляции выходных цепей преобразователя и нагрузки.Thus, the proposed bidirectional step-down DC-DC converter, in comparison with the prototype, uses the insulation load better, i.e. due to the galvanic isolation of the supply network and the load, it has lower insulation requirements, which leads to an increase in the reliability of isolation of the converter output circuits and the load.

Claims

A bi-directional step-down DC-DC converter, containing K capacitors, K modules of three types, each of which consists of series-connected keys, each of which, in turn, is formed by an anti-parallel connection of a valve with full control and a diode, where K is an even number, larger than two, and a similar key, each of the K-2 modules of the first type consists of three series-connected unlike key leads, the first of the first group K / 2-1 of cascade-connected modules of the first type is connected n the first terminal to the positive terminal of the high voltage, the first of the second group K / 2-1 of cascade-connected modules of the first type is connected by the fourth terminal to the negative terminal of the high voltage, when connecting the subsequent modules of the indicated groups, the first and second conclusions of the modules are connected respectively to the third and fourth the conclusions of adjacent modules, where the first output of each of the modules of the first type corresponds to the output of the cathode of the diode of the first of the series-connected keys, the second output corresponds to the point the anode of the diode of the second key and the cathode of the diode of the third key, the third terminal is the connection point of the anode of the diode of the first key and the cathode of the diode of the second key, and the fourth is the terminal of the anode of the diode of the third key, one of the two high voltage terminals, either positive or negative, is connected to the corresponding output of the first module of the corresponding group of modules of the first type directly, and the second through the specified similar key, connected either by the cathode of the diode to the positive terminal of the high voltage, or by the anode of the diode to to a high voltage negative terminal, K capacitors are connected between the first and second terminals, as well as between the third and fourth terminals of the first type of modules, one without duplication at the connection points of adjacent modules of the first type, characterized in that a transformer having one primary and one secondary winding, and a current-reversing rectifier, a module of the second type consists of two series-wise unlike terminals of similar keys, the first output of a module of the second type, respectively The corresponding diode cathode of the first key is connected to the third terminal of the last module of the first group K / 2-1 of cascade-connected modules of the first type, and the second terminal of the second type module corresponding to the anode of the diode of the second key is connected to the second terminal of the last module of the second group K / 2- 1 of cascade-connected modules of the first type, the module of the third type is a bi-directional fully controllable electric valve and consists, for example, of two series-connected terminals of the same name with the same keys, the output terminal of the module of the third type is connected to the fourth terminal of the last module of the first group and to the first terminal of the last module of the second group K / 2-1 of cascade-connected modules of the first type, as well as to the first terminal of the primary winding of the transformer, the second terminal of the module of the third type is connected to the connection point the keys of the module of the second type, as well as to the second terminal of the primary winding of the transformer, the terminals of the secondary winding of the transformer are connected to the input terminals of the reversing rectifier, the output terminals of which serve s low voltage inverter.