RU2558739C1 - Step-down dc voltage converter - Google Patents
Step-down dc voltage converter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2558739C1 RU2558739C1 RU2014130323/07A RU2014130323A RU2558739C1 RU 2558739 C1 RU2558739 C1 RU 2558739C1 RU 2014130323/07 A RU2014130323/07 A RU 2014130323/07A RU 2014130323 A RU2014130323 A RU 2014130323A RU 2558739 C1 RU2558739 C1 RU 2558739C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- module
- converter
- terminal
- link
- output
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, а именно к области полупроводниковой преобразовательной техники (силовой электроники), и может быть использовано в качестве высоковольтного 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 dc-dc step-down converter of medium power in electrical systems of direct current, for example, for electric locomotives of direct current voltage of 3 (1.5) kV for power supply from a contact network with increased voltage (12 (6) kV, 18 (9) kV, etc.).
Известен понижающий преобразователь постоянного напряжения, содержащий конденсаторы и два модуля, каждый из которых состоит из Nk, где k - целые положительные числа натурального ряда 1, 2, 3, 4, a N - четное число ячеек, задающее коэффициент преобразования преобразователя по напряжению, 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 (Зиновьев Г.С., Лопаткин Н.Н. Преобразователь постоянного напряжения. Патент РФ №2393618, Бюл. №18, 2010).Known step-down DC-voltage converter, containing capacitors and two modules, each of which consists of Nk, where k are positive integers of the
Однако указанный преобразователь постоянного напряжения не имеет общей точки входной и выходной цепей, что сужает области применения преобразователя. К тому же он имеет значительные потери мощности при жесткой коммутации вентилей.However, this DC-DC converter does not have a common point of the input and output circuits, which narrows the scope of the converter. In addition, it has significant power losses during rigid switching of the valves.
Также известен понижающий преобразователь постоянного напряжения, который можно рассматривать как модуль, состоящий из четырех ячеек, каждая из которых состоит из двух конденсаторов, двух электрических резонансных реакторов и двух ключей. Схема может быть реализована на двунаправленных IGBT-ключах с обратными диодами с полным управлением или GTO-тиристорах. Каждый из двух конденсаторов соединен последовательно с одним из двух ключей. Ячейки соединены так, что первый вывод второго ключа подсоединен к первому выводу первого ключа следующей ячейки, а второй вывод ключа соединен со вторым конденсатором первой ячейки. (G.D. Hajek, High voltage to low voltage regulated inverter apparatus, ПАТЕНТ США №3513376 Nov. 29, 1967).Also known is a step-down DC-DC converter, which can be considered as a module consisting of four cells, each of which consists of two capacitors, two electric resonant reactors and two switches. The circuit can be implemented on bidirectional IGBT keys with reverse diodes with full control or GTO thyristors. Each of the two capacitors is connected in series with one of the two keys. The cells are connected so that the first output of the second key is connected to the first output of the first key of the next cell, and the second output of the key is connected to the second capacitor of the first cell. (G. D. Hajek, High voltage to low voltage regulated inverter apparatus, US Patent No. 3513376 Nov. 29, 1967).
Однако указанный преобразователь имеет низкое качество входного тока и выходного напряжения.However, said converter has a poor quality of input current and output voltage.
Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является создание понижающего преобразователя постоянного напряжения с улучшенным качеством входного тока и выходного напряжения.The objective (technical result) of the present invention is to create a step-down DC-DC converter with improved quality of the input current and output voltage.
Это достигается тем, что в понижающий преобразователь постоянного напряжения, содержащий входной диод и преобразовательный модуль из К ячеек, каждая из которых, в свою очередь, образована двумя последовательными соединениями LC-звена и двумя ключами с полным управлением, причем первое LC-звено соединено последовательно с первым выводом первого ключа, конденсатор этого же звена соединен со вторым выводом второго ключа, а второй вывод первого ключа соединен с конденсатором второго LC-звена, резонансный реактор которого соединен с первым выводом второго ключа, вводится входной фильтр и второй такой же преобразовательный модуль, два развязывающих диода, при этом второй модуль, состоящий из К таких же ячеек, что в прототипе, подсоединенный параллельно первому модулю, таким образом, что «земля» - общая шина этих модулей, два развязывающих диода соединены так, что катод развязывающего диода первого модуля соединен с катодом развязывающего диода второго модуля и положительной клеммой выхода преобразователя, а анод соединен с резонансным конденсатором второго LC-звена К-й ячейки, являющийся положительным выходом первого модуля, при этом анод развязывающего диода второго модуля, являющийся положительным выходом второго модуля, соединен с резонансным конденсатором второго LC-звена К-й ячейки этого модуля, реактор входного фильтра подключен последовательно входу преобразователя, первый вывод конденсатора входного фильтра подключен к средней точке первого LC-звена первого модуля, а второй вывод конденсатора подключен к «земле».This is achieved by the fact that a step-down DC-DC converter containing an input diode and a converter module of K cells, each of which, in turn, is formed by two serial connections of the LC-link and two keys with full control, and the first LC-link is connected in series with the first terminal of the first key, the capacitor of the same link is connected to the second terminal of the second key, and the second terminal of the first key is connected to the capacitor of the second LC link, the resonant reactor of which is connected to the first terminal the house of the second key, an input filter and the second same converter module, two decoupling diodes are introduced, while the second module, consisting of K of the same cells as in the prototype, is connected in parallel to the first module, so that the "ground" is the common bus of these modules, two decoupling diodes are connected so that the cathode of the decoupling diode of the first module is connected to the cathode of the decoupling diode of the second module and the positive output terminal of the converter, and the anode is connected to the resonant capacitor of the second LC link of the Kth cell, which is the positive output of the first module, while the anode of the decoupling diode of the second module, which is the positive output of the second module, is connected to the resonant capacitor of the second LC link of the Kth cell of this module, the input filter reactor is connected in series with the converter input, the first output of the input filter capacitor is connected to the midpoint of the first LC link of the first module, and the second capacitor terminal is connected to ground.
На фиг. 1 представлена схема предлагаемого понижающего преобразователя постоянного напряжения для К ячеек, на фиг. 2 изображена схема понижающего преобразователя постоянного напряжения конкретно для К=4 ячеек, на фиг. 3 изображены диаграммы, поясняющие работу преобразователя с четырьмя ячейками.In FIG. 1 is a diagram of the proposed step-down DC-DC converter for K cells, FIG. 2 shows a diagram of a step-down DC-DC converter specifically for K = 4 cells, FIG. 3 is a diagram illustrating the operation of a four-cell transducer.
Предлагаемый преобразователь на фиг. 1 содержит два идентичных модуля М 1 и входной сглаживающий фильтр, образованный соединением реактора 2 и конденсатора 3. Также, последовательно с реактором 2 включен диод 4, причем первый вывод конденсатора 3 соединен со средней точкой первого LC-звена модуля М 1, а второй вывод соединен с клеммой высокого потенциала входного источника напряжения Uвх. По структуре модули М 1 идентичные. Каждый такой модуль состоит из четырех ячеек Я 5. В состав ячейки Я 5 входит два ключа с полным управлением со встречно-параллельным диодом (далее - ключ), два конденсатора, два резонансных реактора. Конденсатор 7 и резонансный реактор 6 и IGBTl-транзистор 8 соединены последовательно. Следующее LC-звено из реактора 9, конденсатора 10 и IGBT2-транзистор ключа 11 соединено последовательно. Первый вывод этого ключа последовательно соединен с реактором 9, а второй вывод ключа соединяется с конденсатором 7 последовательно. Ячейки Я 5 соединены между собой каскадно, то есть второй ключ 11 ячейки Я 5 первым выводом соединен первым выводом третьего ключа 8 ячейки Я 5. А конденсатор 10 ячейки Я 5 соединен последовательно с накопительным реактором 9 ячейки Я 5, который в свою очередь соединен со вторым выводом третьего ключа 8 ячейки Я 5. Аналогичным образом выполняются другие ячейки модуля М 4 с соответствующим изменением порядковых номеров элементов. Модули соединены между собой параллельно таким образом, что средняя точка первого LC-звена Я 5 соединена со средней точкой первого LC-звена ячейки Я5 модуля М 4. «Земля» - общая шина у модулей М 1. Также дополнительно введены два развязывающих диода. Эти диоды нужны для ограничения влияние модулей друг на друга при работе. Первый вывод развязывающего диода 12 первого модуля соединен с первым выводом развязывающего диода 12 второго модуля, а второй вывод развязывающего диода 12 первого модуля соединен с конденсатором 10 ячейки Я 5. Второй вывод развязывающего диода 12 подключен с конденсатором 10 ячейки Я 5 второго модуля.The converter of FIG. 1 contains two
Принцип работы преобразователей с К ячейками на фиг. 1 и, например, с четырьмя ячейками на фиг. 2 идентичен, поэтому удобнее рассмотреть работу для более простого варианта преобразователя с четырьмя ячейками.The principle of operation of the transducers with K cells in FIG. 1 and, for example, with four cells in FIG. 2 is identical, therefore it is more convenient to consider the work for a simpler version of the four-cell converter.
Преобразователь последовательно находится в одном из двух периодически сменяющихся состояний. В первом состоянии управляющие импульсы подаются на ключи 8. Конденсаторы 10 U /4 начинают заряжаться до напряжения Uin/4. Во втором состоянии управляющие импульсы подаются на ключи 11. При этом конденсаторы 10 начинают разряжаться и через ключи четной группы заряжают конденсаторы 7. Таким образом, от ячейки к ячейке напряжение понижается на 3 кВ и на выходе первого модуля М 1 на конденсаторе 10 нижней ячейки получается импульсное прямоугольное напряжение амплитудой 3 кВ. Во втором модуле М 1 процессы проходят аналогично, с тем лишь условием, что сперва в работу вступают ключи 11, а затем ключи 8. В итоге на выходе второго модуля М 1 на конденсаторе 10 нижней ячейки получается импульсное напряжение амплитудой 3 кВ, которое сдвинуто по фазе на полпериода относительного выходного напряжения с первого модуля. В конечном счете из суммы импульсных прямоугольных напряжений амплитудой 3 кВ на выходах модулей М 1 получаем на выходе преобразователя постоянное напряжение Uвых 3 кВ. Диаграммы токов и напряжений элементов преобразователя показаны на фиг. 3, где обозначено:The converter is sequentially in one of two periodically changing states. In the first state, the control pulses are applied to the
Е - входное напряжение преобразователяE is the input voltage of the Converter
iвx - входной ток преобразователяivx - input current of the converter
iвх.ф. - входной ток преобразователя до фильтраi.v.f. - input current of the converter to the filter
Uc - напряжение на входном фильтреUc - voltage at the input filter
U1 - сигнал включения ключей, работающих в первой половине периода работыU1 - signal enable keys working in the first half of the period of work
U2 - сигнал включения ключей, работающих во второй половине периода работыU2 - signal enable keys working in the second half of the period of work
Uвых1 - напряжение на выходе модуля М 1Uout1 - voltage at the output of the
iвых1 - ток на выходе модуля М 1iout1 - current at the output of the
Uвых2 - напряжение на выходе модуля М 2Uout2 - voltage at the output of the
Iвых2 - ток на выходе модуля М 2Iout2 - current at the output of the
iT - ток в транзисторе ключаiT - current in the key transistor
Т - период импульсов управления.T is the period of the control pulses.
Таким образом, предлагаемый преобразователь постоянного напряжения имеет улучшенное качество выходного напряжения и входного тока, так как имеет непрерывное выходное напряжение и непрерывный входной ток. Непрерывное выходное напряжение обеспечивается поочередной работой выходов двух модулей на общую нагрузку. Непрерывный входной ток обеспечивается поочередным подключением входов двух модулей к общему источнику питания.Thus, the proposed DC-voltage converter has an improved quality of the output voltage and input current, as it has a continuous output voltage and a continuous input current. The continuous output voltage is provided by the alternate operation of the outputs of the two modules to the total load. Continuous input current is provided by alternately connecting the inputs of the two modules to a common power source.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014130323/07A RU2558739C1 (en) | 2014-07-22 | 2014-07-22 | Step-down dc voltage converter |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014130323/07A RU2558739C1 (en) | 2014-07-22 | 2014-07-22 | Step-down dc voltage converter |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2558739C1 true RU2558739C1 (en) | 2015-08-10 |
Family
ID=53796006
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014130323/07A RU2558739C1 (en) | 2014-07-22 | 2014-07-22 | Step-down dc voltage converter |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2558739C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2614532C1 (en) * | 2015-11-23 | 2017-03-28 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет" | Step-down dc voltage converter |
RU2746272C1 (en) * | 2020-10-28 | 2021-04-12 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования «Новосибирский Государственный Технический Университет» | Method of regulating the output voltage of a dc voltage boost converter |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3513376A (en) * | 1967-11-29 | 1970-05-19 | Westinghouse Electric Corp | High voltage to low voltage regulated inverter apparatus |
US4992919A (en) * | 1989-12-29 | 1991-02-12 | Lee Chu Quon | Parallel resonant converter with zero voltage switching |
US5886884A (en) * | 1996-10-29 | 1999-03-23 | Korea Electrotechnology Research Institute | Passive ripple filter for zero voltage-zero current switched full-bridge DC/DC converters |
WO2009017783A1 (en) * | 2007-08-01 | 2009-02-05 | Intersil Americas Inc. | Voltage converter with combined capacitive voltage divider, buck converter and battery charger |
RU2454779C1 (en) * | 2010-12-08 | 2012-06-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский государственный технический университет" | Two-directional down converter of constant voltage |
-
2014
- 2014-07-22 RU RU2014130323/07A patent/RU2558739C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3513376A (en) * | 1967-11-29 | 1970-05-19 | Westinghouse Electric Corp | High voltage to low voltage regulated inverter apparatus |
US4992919A (en) * | 1989-12-29 | 1991-02-12 | Lee Chu Quon | Parallel resonant converter with zero voltage switching |
US5886884A (en) * | 1996-10-29 | 1999-03-23 | Korea Electrotechnology Research Institute | Passive ripple filter for zero voltage-zero current switched full-bridge DC/DC converters |
WO2009017783A1 (en) * | 2007-08-01 | 2009-02-05 | Intersil Americas Inc. | Voltage converter with combined capacitive voltage divider, buck converter and battery charger |
RU2454779C1 (en) * | 2010-12-08 | 2012-06-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский государственный технический университет" | Two-directional down converter of constant voltage |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2614532C1 (en) * | 2015-11-23 | 2017-03-28 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет" | Step-down dc voltage converter |
RU2746272C1 (en) * | 2020-10-28 | 2021-04-12 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования «Новосибирский Государственный Технический Университет» | Method of regulating the output voltage of a dc voltage boost converter |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Taghvaie et al. | A multilevel inverter structure based on a combination of switched-capacitors and DC sources | |
CN108475999B (en) | Single-phase five-level active clamping converter unit and converter | |
US9641098B2 (en) | Multi-level inverter apparatus and method | |
US9344010B2 (en) | Power electronic converter | |
Panda et al. | A single-source switched-capacitor-based step-up multilevel inverter with reduced components | |
Ali et al. | A generalized multilevel inverter topology with reduction of total standing voltage | |
Rezanejad et al. | Modular switched capacitor voltage multiplier topology for pulsed power supply | |
Gray et al. | A modular multilevel DC–DC converter with flying capacitor converter like properties | |
Thakre et al. | Modified cascaded multilevel inverter for renewable energy systems with less number of unidirectional switches | |
Nilkar et al. | A new single-phase cascade multilevel inverter topology using four-level cells | |
RU2558739C1 (en) | Step-down dc voltage converter | |
RU2454779C1 (en) | Two-directional down converter of constant voltage | |
US20160344286A1 (en) | Converter | |
Chadli et al. | Design and implementation of a novel five-level inverter topology | |
Ahamed Ibrahim et al. | A new asymmetric and cascaded switched diode multilevel inverter topology for reduced switches, DC source and blocked voltage on switches | |
Thakre et al. | Modelling and design of new multilevel inverter for renewable energy systems with less number of unidirectional switches | |
Thakre et al. | Symmetrical and asymmetrical multilevel inverter using less number of switches | |
RU2394344C1 (en) | Bidirectional step-down dc voltage converter | |
RU2614532C1 (en) | Step-down dc voltage converter | |
KR101484105B1 (en) | Multilevel inverter with a single input source | |
Barzegarkhoo et al. | Switched-boost common-ground five-level (SBCG5L) grid-connected inverter with single-stage dynamic voltage boosting concept | |
Sireesha et al. | Generalized cascaded multi level inverter using reduced number of components with PV systems | |
Phanikumar et al. | Novel self balancing single phase asymmetric 9 level grid connected inverter for photovoltaic applications | |
Nikhil et al. | A reduced switch multilevel inverter for harmonic reduction | |
Jawahar et al. | FPGA based SHEPWM switching scheme for single phase cascaded H-bridge multi-level inverter |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180723 |