RU2531375C2

RU2531375C2 - Dc/dc converter

Info

Publication number: RU2531375C2
Application number: RU2012146838/07A
Authority: RU
Inventors: Владимир Игоревич Антонов; Борис Александрович Глебов
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Связь инжиниринг"
Priority date: 2012-11-02
Filing date: 2012-11-02
Publication date: 2014-10-20
Also published as: RU2012146838A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention is referred to power conversion equipment and is a DC/DC converter with transformer coupling between the power supply unit and load. The claimed device comprises a pulse transformer to transmit energy to the load circuit, a current switch of the transformer first winding, a current rectifier of the transformer second winding and a capacitor of the output filter coupled in parallel to direct-current load, besides each valve of the rectifier is coupled between the secondary winding output connected to it and one output of the output filter capacitor, for each valve there is an auxiliary circuit in the form of a three-terminal device, which first output is coupled to the connection point of the secondary winding output and the valve while its second and third outputs are coupled to outputs of the output filter capacitor, in the three-terminal device between its second and third outputs there is a diode circuit represented by the first and second diodes and between the first output of the three-terminal device and the midpoint of the diode circuit there is a capacitor, an auxiliary damping RC-circuit is introduced to the three-terminal device as in-series resistor and capacitor and this circuit shunts the first or second diodes in the three-terminal device.

EFFECT: increase of efficiency and reliability of the claimed device.

2 cl, 4 dwg

Description

Предлагаемое устройство относится к силовой преобразовательной технике и является DC/DC-преобразователем с трансформаторной связью между источником питания и нагрузкой.The proposed device relates to power converting equipment and is a DC / DC converter with transformer coupling between the power source and the load.

Известен двухтактный преобразователь, который содержит импульсный трансформатор для передачи энергии в цепь нагрузки, коммутатор тока первичной обмотки трансформатора, выпрямитель тока вторичной обмотки трансформатора и конденсатор выходного фильтра, включенный параллельно нагрузке постоянного тока. В известном устройстве, которое рассматривается как прототип, каждый вентильный элемент выпрямителя (вентильные элементы выполнены в виде полевых транзисторов) включен между соответствующим выводом вторичной обмотки и одним из выводов конденсатора выходного фильтра ("Control Driven Synchronous Rectifiers In Phase Shifted Full Bridge Converters, Application Note", Texas Inctruments, SLUA287 - March 2003).Known push-pull converter, which contains a pulse transformer for transferring energy to the load circuit, a current switch of the primary winding of the transformer, a rectifier current of the secondary winding of the transformer and an output filter capacitor connected in parallel with the DC load. In the known device, which is considered as a prototype, each rectifier valve element (valve elements are made in the form of field effect transistors) is connected between the corresponding terminal of the secondary winding and one of the terminals of the output filter capacitor ("Control Driven Synchronous Rectifiers In Phase Shifted Full Bridge Converters, Application Note ", Texas Inctruments, SLUA287 - March 2003).

Недостаток известного устройства - возникновение перенапряжений на вентильных элементах, вызванное существованием индуктивностей рассеяния обмоток трансформатора и инерционностью коммутационного процесса перехода вентильного элемента из состояния высокой проводимости в состояние низкой проводимости. Перенапряжения, если не принимать мер по ограничению их амплитуды, вызывают рост тепловых потерь в вентильных элементах выпрямителя, снижают надежность их работы и надежность устройства в целом.A disadvantage of the known device is the occurrence of overvoltages on the valve elements caused by the existence of inductance dissipation of the transformer windings and the inertia of the switching process of the transition of the valve element from a state of high conductivity to a state of low conductivity. Overvoltages, if you do not take measures to limit their amplitude, cause an increase in heat loss in the valve elements of the rectifier, reduce the reliability of their operation and the reliability of the device as a whole.

Целью предложения, содержащегося в данной заявке, является повышение энергетической эффективности устройства и его надежности.The aim of the proposal contained in this application is to increase the energy efficiency of the device and its reliability.

Предлагаемое устройство, как и прототип, содержит импульсный трансформатор для передачи энергии в цепь нагрузки, коммутатор тока первичной обмотки трансформатора, выпрямитель тока вторичной обмотки трансформатора и конденсатор выходного фильтра, включенный параллельно нагрузке постоянного тока. В устройстве, как и в прототипе, каждый вентильный элемент выпрямителя включен между соответствующим выводом вторичной обмотки и одним из выводов конденсатора выходного фильтра.The proposed device, like the prototype, contains a pulse transformer for transferring energy to the load circuit, a current switch of the primary winding of the transformer, a rectifier of the current of the secondary winding of the transformer and an output filter capacitor connected in parallel with the DC load. In the device, as in the prototype, each rectifier valve element is connected between the corresponding terminal of the secondary winding and one of the terminals of the output filter capacitor.

Предлагаемое устройство отличается от прототипа тем, что для каждого вентильного элемента введена цепь в виде трехполюсника. Его первый вывод подключен к точке соединения вывода вторичной обмотки и вентильного элемента, а второй и третий выводы трехполюсника подключены к выводам конденсатора выходного фильтра. В трехполюснике между вторым и третьим его выводами включена диодная цепь в виде первого и второго диодов, соединенных последовательно и согласно, т.е. с совпадением их прямой проводимости, а между первым выводом трехполюсника и средней точкой диодной цепи включен конденсатор.The proposed device differs from the prototype in that for each valve element a circuit is introduced in the form of a three-terminal network. Its first output is connected to the connection point of the output of the secondary winding and the valve element, and the second and third terminals of the three-terminal are connected to the terminals of the output filter capacitor. In the three-terminal network, between its second and third terminals, a diode circuit is included in the form of the first and second diodes connected in series and according to, i.e. with the coincidence of their direct conductivity, and between the first terminal of the three-terminal network and the midpoint of the diode circuit, a capacitor is connected.

В трехполюсник дополнительно введена демпфирующая RC-цепь в виде резистора и конденсатора, которые соединены последовательно, и эта RC-цепь шунтирует первый или второй диоды, содержащиеся в трехполюснике.An additional damping RC circuit in the form of a resistor and capacitor, which are connected in series, is added to the three-terminal network, and this RC-circuit shunts the first or second diodes contained in the three-terminal network.

Предлагаемое устройство изображено на фиг.1. Оно содержит коммутатор 1 в виде четырехполюсника, который имеет входную цепь с выводами 2 и 3 и выходную цепь с выводами 4 и 5. Выводы входной цепи коммутатора 1 подключены к источнику питания 6. К выводам 4 и 5 выходной цепи коммутатора 1 подключена первичная обмотка 7 силового трансформатора 8. Коммутатор 1 представляет собой устройство с силовыми управляемыми ключами. Оно, независимо от конкретной схемотехники, обеспечивает коммутацию тока первичной обмотки 7 силового трансформатора 8, периодически подключая первичную обмотку 7 к источнику питания 6 и отключая ее. В устройстве-прототипе коммутатор 1 выполнен в виде транзисторного моста, входная цепь которого образует входную цепь четырехполюсника с выводами 2 и 3, а между выходной цепью транзисторного моста и выводами 4 и 5 четырехполюсника включена обмотка дросселя.The proposed device is shown in figure 1. It contains the switch 1 in the form of a four-terminal network, which has an input circuit with pins 2 and 3 and an output circuit with pins 4 and 5. The pins of the input circuit of switch 1 are connected to a power source 6. The primary winding 7 is connected to pins 4 and 5 of the output circuit of switch 1 power transformer 8. Switch 1 is a device with power controlled keys. It, regardless of the specific circuitry, provides switching the current of the primary winding 7 of the power transformer 8, periodically connecting the primary winding 7 to the power source 6 and disconnecting it. In the prototype device, the switch 1 is made in the form of a transistor bridge, the input circuit of which forms the input circuit of the four-terminal network with terminals 2 and 3, and the inductor winding is connected between the output circuit of the transistor bridge and the terminals 4 and 5 of the four-terminal network.

Выводы вторичной обмотки 9 силового трансформатора 8 через вентильные элементы 12 и 13 (в их качестве на фиг.1 изображены транзисторы синхронного выпрямителя) подключены к первому выводу конденсатора 10 выходного фильтра, шунтирующего нагрузку 11. Второй вывод конденсатора 10 соединен с выводами вторичной обмотки 9 через обмотки дросселей 14 и 15 выходного фильтра.The conclusions of the secondary winding 9 of the power transformer 8 through the valve elements 12 and 13 (as shown in Fig. 1 shows the transistors of a synchronous rectifier) are connected to the first output of the capacitor 10 of the output filter, shunting the load 11. The second output of the capacitor 10 is connected to the terminals of the secondary winding 9 through windings of chokes 14 and 15 of the output filter.

Для первого вентильного элемента 12 введена цепь ограничения коммутационных перенапряжений на нем, выполненная в виде трехполюсника 16 с тремя выводами - первым 17, вторым 18 и третьим 19. Первый вывод трехполюсника 16 подключен к точке соединения вывода вторичной обмотки 9 и электрода вентильного элемента 12, второй и третий выводы 17 и 18 трехполюсника 16 соединены соответственно с первым и вторым выводами конденсатора 10 выходного фильтра.For the first valve element 12, a circuit for limiting the switching overvoltages on it is introduced, made in the form of a three-terminal 16 with three terminals - the first 17, second 18 and third 19. The first terminal of the three-terminal 16 is connected to the connection point of the terminal of the secondary winding 9 and the electrode of the valve element 12, the second and the third terminals 17 and 18 of the three-terminal network 16 are connected respectively to the first and second terminals of the output filter capacitor 10.

В трехполюснике 16 между вторым и третьим его выводами 18 и 19 включена диодная цепь в виде первого и второго диодов 20 и 21, соединенных последовательно и согласно, т.е. с совпадением их прямой проводимости. Между первым выводом 17 трехполюсника 16 и средней точкой указанной диодной цепи включен конденсатор 22.In the three-terminal network 16 between its second and third terminals 18 and 19, a diode circuit is included in the form of the first and second diodes 20 and 21, connected in series and according to, i.e. with the coincidence of their direct conductivity. A capacitor 22 is connected between the first terminal 17 of the three-terminal 16 and the midpoint of the indicated diode circuit.

Для второго вентильного элемента 13 введена цепь ограничения коммутационных перенапряжений на нем, выполненная в виде трехполюсника 23 с тремя выводами - первым 24, вторым 25 и третьим 26. Трехполюсник 23 аналогичен трехполюснику 16 по схемотехнике и подключению выводов.For the second valve element 13, a circuit for restricting switching overvoltages on it is introduced, made in the form of a three-terminal 23 with three terminals - the first 24, second 25 and third 26. The three-terminal 23 is similar to the three-terminal 16 in circuit design and connection of the terminals.

Принцип действия предлагаемого устройства рассматривается на примере трехполюсника 16, который подключен к вентильному элементу 12, и состоит в следующем.The principle of operation of the proposed device is considered on the example of a three-terminal 16, which is connected to the valve element 12, and consists in the following.

Управление транзисторным выпрямителем построено таким образом, чтобы сигнал отпирания транзистора 12, выпрямляющего ток вторичной обмотки 9, завершался до момента смены направления тока, протекающего по обмотке. Поэтому внутренний диод транзисторной структуры переходит в состояние проводимости до этого момента, и через него ток обмотки 9 протекает в прямом для диода направлении. Из-за инерционности диода состояние его высокой проводимости сохраняется некоторое время после перемены направления тока в обмотке 9, и поэтому через внутренний диод транзисторной структуры возникает ток обратного направления. Этот ток вызывает накопление энергии магнитного поля в индуктивностях рассеяния трансформатора.The control of the transistor rectifier is designed so that the unlock signal of the transistor 12, which rectifies the current of the secondary winding 9, is completed before the change in direction of the current flowing through the winding. Therefore, the internal diode of the transistor structure goes into a state of conduction up to this point, and through it the current of the winding 9 flows in the forward direction for the diode. Due to the inertia of the diode, the state of its high conductivity remains for some time after the current direction changes in the winding 9, and therefore, a reverse current flows through the internal diode of the transistor structure. This current causes an accumulation of magnetic field energy in the dissipation inductances of the transformer.

К моменту восстановления высокого обратного сопротивления внутреннего диода транзисторной структуры, благодаря энергии, которая к этому моменту успела накопиться в индуктивностях рассеяния трансформатора 8, вторичная обмотка 9 оказывается эквивалентной источнику тока. Направление этого тока соответствует прямой проводимости токопроводящего канала транзистора 12, причем сигналом управления канал уже заперт и ток обмотки по нему протекать не может.By the time of restoration of the high reverse resistance of the internal diode of the transistor structure, due to the energy that had accumulated in the scattering inductors of the transformer 8 by this time, the secondary winding 9 is equivalent to the current source. The direction of this current corresponds to the direct conductivity of the conductive channel of the transistor 12, and the channel is already locked by the control signal and the winding current cannot flow through it.

Величина тока обмотки 9 уменьшается по мере рассеяния накопленной энергии от того начального значения, которое было в момент восстановления обратного сопротивления внутреннего диода транзистора 12. Большая часть этого тока при соответствующем выборе емкости конденсатора 22 через цепь в виде последовательного соединения этого конденсатора и диода 21 поступает в конденсатор 10 выходного фильтра. В него, таким образом, передается большая часть энергии, которая ранее была запасена в магнитном поле рассеяния трансформатора 8. Меньшая часть тока заряжает емкость транзистора 12, и в нее передается меньшая часть запасенной энергии. Соответственно уменьшается амплитуда выброса напряжения на вентильном элементе, выполненном в виде транзистора 12, а большая часть энергии, будучи переданной в конденсатор выходного фильтра, используется полезно.The magnitude of the current of the winding 9 decreases as the accumulated energy dissipates from the initial value that was at the time of the restoration of the inverse resistance of the internal diode of the transistor 12. Most of this current, with the appropriate choice of capacitor 22 through the circuit, is connected in series to this capacitor and diode 21 output filter capacitor 10. Thus, a large part of the energy that was previously stored in the magnetic field of the transformer 8 is transferred to it. A smaller part of the current charges the capacitance of the transistor 12, and a smaller part of the stored energy is transferred to it. Accordingly, the amplitude of the voltage surge on the valve element, made in the form of a transistor 12, decreases, and most of the energy, being transmitted to the capacitor of the output filter, is used advantageously.

С началом нового цикла выпрямления тока обмотки 9, этот ток начинает протекать по цепи в виде последовательного соединения конденсатора 22 и диода 20, разряжая конденсатор 22. Затем, когда он полностью разрядится, ток переходит в транзистор 12. К этому моменту токопроводящий канал транзистора переводят в состояние высокой проводимости. По нему ток обмотки 9 протекает в инверсном направлении.With the beginning of a new cycle of rectification of the current of the winding 9, this current begins to flow through the circuit in the form of a series connection of the capacitor 22 and diode 20, discharging the capacitor 22. Then, when it is completely discharged, the current passes to transistor 12. At this point, the conductive channel of the transistor is transferred to high conductivity state. On it, the current of the winding 9 flows in the inverse direction.

Принцип действия устройства, выполненного в виде трехполюсника 23, который подключен к вентильному элементу 13, подобен тому, что рассмотрен для трехполюсника 16. Отличие состоит только в том, что процессы, рассмотренные для трехполюсника 16, в трехполюснике 23 происходят в другой такт работы двухтактного выпрямителя.The principle of operation of the device, made in the form of a three-terminal 23, which is connected to the valve element 13, is similar to that considered for a three-terminal 16. The only difference is that the processes considered for a three-terminal 16 in a three-terminal 23 occur in a different clock cycle of the push-pull rectifier .

В момент, когда ток, передаваемый через трехполюсник в конденсатор выходного фильтра 10, снизится до нуля, напряжение на конденсаторе, содержащемся в трехполюснике, и, соответственно, напряжение на соединенном с трехполюсником вентильном элементе, перешедшем в запертое состояние, достигают максимального значения. После этого момента оба диода трехполюсника оказываются в запертом состоянии, и в схеме возникает затухающий колебательный процесс, обусловленный обменом энергии между индуктивностями трансформатора и емкостными накопителями вентильного элемента и диодов трехполюсника. Для ускорения затухания этого процесса один из диодов трехполюсника шунтируется последовательной RC-цепью, вводимой в трехполюсник.At the moment when the current transmitted through the three-terminal to the capacitor of the output filter 10 decreases to zero, the voltage across the capacitor contained in the three-terminal, and, accordingly, the voltage across the valve element connected to the three-terminal, which has switched to the locked state, reach the maximum value. After this moment, both three-terminal diodes are in a locked state, and a damped oscillatory process occurs in the circuit due to the energy exchange between the inductors of the transformer and the capacitive storage of the valve element and the three-terminal diodes. To accelerate the attenuation of this process, one of the diodes of the three-terminal network is shunted by a serial RC circuit introduced into the three-terminal network.

Схема предлагаемого устройства, где в трехполюсник, который подключен к вентильному элементу, дополнительно введена последовательная RC-цепь, изображена на фиг.2. Она полностью совпадает со схемой, изображенной на фиг.1, за исключением того, что в трехполюсниках схемы на фиг.2 параллельно их первому диоду включена последовательная RC-цепь. В трехполюснике 16 она образована резистором 27 и конденсатором 28.A diagram of the proposed device, where a serial RC circuit is additionally introduced into the three-terminal device, which is connected to the valve element, is shown in FIG. 2. It completely coincides with the circuit shown in figure 1, except that in the three-terminal circuits of figure 2, in parallel with their first diode, a serial RC circuit is connected. In the three-terminal network 16 it is formed by a resistor 27 and a capacitor 28.

Если в выходном выпрямителе в качестве вентильных элементов 12 и 13 используются не транзисторы, а диоды, действие вводимых в схему устройств в виде трехполюсников 16 и 23 остается таким же, как рассмотрено выше. Отличие состоит в том, что ограничивается коммутационный выброс напряжения на силовом диоде выпрямителя.If the output rectifier does not use transistors, but diodes, as the gate elements 12 and 13, the action of the devices introduced into the circuit in the form of triples 16 and 23 remains the same as discussed above. The difference is that the switching surge voltage on the rectifier power diode is limited.

Конструкция коммутатора 1, равно как и индуктивных цепей, предназначенных для сглаживания пульсаций выпрямленного тока вторичной обмотки, не является существенным признаком предлагаемого технического решения.The design of the switch 1, as well as inductive circuits designed to smooth the ripple of the rectified current of the secondary winding, is not an essential sign of the proposed technical solution.

На фиг.3 и 4 в качестве примера представлены две схемы DC/DC-преобразователей (однотактная и двухтактная), в которых в качестве вентильных элементов выходного выпрямителя используются диоды, а сглаживание пульсаций выпрямленного тока осуществляется одним дросселем.Figures 3 and 4 show, as an example, two circuits of DC / DC converters (single-cycle and push-pull), in which diodes are used as the gate elements of the output rectifier, and the ripple of the rectified current is smoothed by a single inductor.

В однотактной схеме, изображенной на фиг.3, выпрямление тока вторичной обмотки происходит в одном такте, и поэтому выпрямитель этого тока содержит один вентильный элемент 12. Второй вентильный элемент 13 обеспечивает контур для протекания тока обмотки дросселя 29 на интервале, когда коммутатор 1 отключает первичную обмотку 7 от источника питания 6. Дроссель 29 предназначен для сглаживания выпрямленного тока вторичной обмотки 9 силового трансформатора 8. Назначение, конструкция и подключение трехполюсников 16 и 23 в схеме на фиг.3 такое же, как в схеме на фиг.2.In the one-cycle circuit shown in FIG. 3, the secondary current is rectified in a single cycle, and therefore the rectifier of this current contains one valve element 12. The second valve element 13 provides a circuit for the flow of the current of the winding of the inductor 29 in the interval when the switch 1 switches off the primary winding 7 from a power source 6. The inductor 29 is designed to smooth the rectified current of the secondary winding 9 of the power transformer 8. The purpose, design and connection of the three-terminal networks 16 and 23 in the circuit in figure 3 is the same as in Fig. 2.

В двухтактной схеме вторичная обмотка 9 трансформатора 8 содержит две секции 9-1 и 9-2, соединенные последовательно и согласно. Выводы вторичной обмотки 9 подключены к одному выводу конденсатора выходного фильтра 10 через вентильные элементы в виде диодов 12 и 13, а средняя точка вторичной обмотки 9 соединена с другим выводом конденсатора 10 через обмотку дросселя 30. Назначение, конструкция и подключение трехполюсников 16 и 23 в схеме на фиг.4 такое же, как в схеме на фиг.2.In the push-pull circuit, the secondary winding 9 of the transformer 8 contains two sections 9-1 and 9-2, connected in series and according to. The terminals of the secondary winding 9 are connected to one terminal of the capacitor of the output filter 10 through the valve elements in the form of diodes 12 and 13, and the midpoint of the secondary winding 9 is connected to the other terminal of the capacitor 10 through the winding of the inductor 30. Purpose, design and connection of the three-terminal networks 16 and 23 in the circuit figure 4 is the same as in the diagram of figure 2.

Claims

1. A DC / DC converter comprising a pulse transformer, a transformer primary current commutator, a transformer secondary current rectifier and an output filter capacitor connected in parallel with a DC load, each rectifier valve element being connected between the secondary winding terminal connected to it and one of the outputs of the output filter capacitor, characterized in that, in order to increase the energy efficiency of the device and its reliability, for each valve element is introduced a circuit in the form of a three-terminal network, its first output is connected to the connection point of the output of the secondary winding and the valve element, and the second and third terminals of the three-terminal network are connected to the terminals of the output filter capacitor, in the three-terminal network between the second and third terminals it includes a diode circuit in the form of the first and second diodes, connected in series and according to, i.e. with the coincidence of their direct conductivity, and between the first terminal of the three-terminal network and the midpoint of the diode circuit, a capacitor is connected.

2. The device according to claim 1, characterized in that a damping RC circuit in the form of a resistor and a capacitor connected in series, which shunts the first or second diodes contained in the three-terminal, is additionally introduced into the three-terminal network.