SU1078555A1 - Преобразователь посто нного напр жени - Google Patents

Abstract

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий силовой управл емый ключ, своей выходной цепью включенный последовательно с источником питани  через цепь нагрузки, коммутирующий диод цепи нагрузки, конденсаторно-диодную цепь, образованную соединенными последовательно конденсатором и разв зывающим диодом, причем конденсатор через выходную цепь силового управл емого ключа соединен с первым входным зажимом преобразовател , а разв зывающий диод шунтирован цепью, образованной соединенными последовательно первой обмоткой магнитного реактора и дополнительным управл емым ключом, рекуперационный диод и цепь управлени  указанным дополнительным ключом, отличающийс  тем, что, с целью повыщени  КПД, разв зывающий диод соединен с вторым входным зажимом преобразовател , а перва  обметка магнитного реактора подключена к приемнику энергии . (Л 00 ел ел ел

Description

2.Преобразователь по п. 1, отличающийс  тем, что с вторым входным зажимом соединен электрод дополнительного управл емого ключа, общий дл  его входной и выходной цепей, а между управл ющим электродом и средней точкой конденсаторнодиодной цепи включен токоограничивающий резистор.

3.Преобразователь по пп. 1 и 2, отличающийс  тем, что цепь управлени  дополнительным управл емым ключом выполнена в виде замкнутого контура, образованного соединенными последовательно управл ющей обмоткой магнитного реактора и дополнительными резистором и диодом, причем последний включен параллельно входной цепи дополнительного управл емого ключа.

4.Преобразователь по пп. 1-3, отличающийс  тем, что, с целью ограничени  всплесков тока через силовой управл емый транзистор , введены коммутирующа  обмотка

магнитного реактора и блокирующий диод, причем коммутирующа  обмотка включена последовательно с выходной цепью силового управл емого ключа, а блокирующий диод включен последовательно с цервой -обмоткой магнитного реактора.

5.Преобразователь по п. 4, отличающийс  тем, что коммутирующа  обмотка магнитного реактора выполнена из двух секций, и соединена последовательно с коммутирующим диодом и нагрузкой, а точка соединени  секций подключена к электроду выходной цепи силового управл емого ключа.

6.Преобразователь по п. 4, отличающий с  тем, что коммутирующа  обмотка магнитного реактора соединена последовательно с первичной обмоткой дроссел  нагрузки, вторична  обмотка которого через коммутирующий диод подключена к активной части нагрузки.

Изобретение относитс  к электротехнике и может найти применение в силовой полупроводниковой преобразовательной технике.

Известен преобразователь напр жени , содержащий силовой управл емый ключ, последовательно с выходной цепью которого включена нагрузка индуктивного характера, подключенна  к первбму входному зажиму устройства, а параллельно выходной цепи включена конденсаторно-диодна  цепь в виде соединенных последовательно конденсатора и диода, причем диод подключен к второму входному зажиму и шунтирован резистором 1.

Недостато1 известного устройства состоит в потер х энергии в резисторе и силовом управл емом ключе из-за протекани  через них тока разр да конденсатора.

Наиболее близким к предлагаемому  вл етс  преобразователь посто нного напр жени , содержащий силовой управл емый ключ, своей выходной цепью включенный последовательно с источником питани  через цепь нагрузки, коммутирующий диод цепи нагрузки, конденсаторно-диодную цепь, образованную соединенными последовательно конденсатором и разв зывающим диодом, причем конденсатор через выходную цепь силового управл емого ключа соединен с первым входным зажимом преобразовател , а разв зывающий диод щунтирован цепью, образованной соединенными последовательно первой обмоткой магнитного ротора и дополнительным управл емым ключом.

рекуперационныи диод и цепь управлени  указанным дополнительным ключом 2. Недостаток известного устройства состоит в том, что конденсатор конденсаторнодиодной цепи не полностью, разр жаетс  током обмотки магнитного реактора. Это св зано с тем, что в конце разр да отпирающий сигнал становитс  недостаточным дл  поддержани  дополнительного управл емого ключа в состо нии высокой проводимости (насыщени ) и он переходит в активный режим, причем падение напр жени  на нем скачкообразно возрастает вследствие отпирани  рекуперационного диода.

В этом случае демпфирующий конденсатор разр жаетс  не полностью, что обусловливает скачок на основном силовом управл емом ключе при его запирании и, соответственно , увеличивает потери энергии, снижает надежность работы основного силового управл емого ключа, а следовательно, и устройства в целом. .

Цель изобретени  - повыщение КПД преобразовани  за счет снижени  коммутационных потерь.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что

в преобразователе посто нного напр жени , содержащем силовой управл емый ключ, своей выходной цепью включенный последовательно с источником питани  через цепь нагрузки, коммутирующий диод ц%пи нагрузки , конденсаторно-диодную цепь, образованную соединенными последовательно-конденсатором и разв зывающим диодом, причем конденсатор через выходную цепь силового управл емого ключа соединен с первым входным зажимом преобразовател , а разв зывающий диод шунтирован цепью, образованной соединенными последовательно первой обмоткой магнитного реактора и дополнительным управл емым ключом, рекуперационный диод и цепь управлени  указанным дополнительным ключом, разв зывающий диод соединен с вторым входным зажимом преобразовател , а перва  обмотка магнитного реактора подключена к приемнику энергии. Причем вторым входным зажимом соединен электрод дополнительного управл емого ключа, общий дл  его входной и выходной цепей, а между управл ющим электродом и средней точкой конденсаторно-диодной цепи включен токоограничивающик резистор. Кроме того, цепь управлени  дополнительным управл емым ключом выполнена в виде замкнутого контура, образованного соединенными по ;ледовательно управл ющей обмоткой магнитного реактора, дополнительными резистором и диодом, причем последний включен параллельно входной цепи дополнительного управл емого ключа. Дл  ограничени  всплесков тока через силовой управл емый транзистор введены коммутирующа  обмотка магнитного реактора и блокирующий диод, причем коммутирующа  обмотка включена последовательно с выходной цепью силового управл емого ключа, а блокирующий диол, включен последовательно с первой обмоткой магнитного реактора. При этом коммутирующа  обмотка магнитного реатора может быть выполнена из двух секций и соединена последовательно с коммутирующим диодом ч нагрузкой, а точка соединени  секций сол.ключена к электроду выходной цепи с.; .о-лго управл емого ключа. При гальванической разв зке входной и выходной целей преобразовател  коммутирующа  обмотка магнитного реактора соединена последовательно с первичной обмоткой дроссел  нагрузки, вторична  обмотка которого через кoм yтиpyющий диод подключена к активной части нагрузки, На фиг. 1 и 2 представлены варианты - . преобразовател  посто нного напр жени . в которых активна  часть нагрузкигальванически св зана с источником питани ; на фиг. 3 -- вариант схемы, в котором энергопо-треблнюща  (активна ) часть нагрудки гальванически св зана систочником r.,,u,,o питани . В преобразователе (фиг. I) к входным зажимам 1 и 2 подключен источник,питани . Между первым и вторым входными зажимами 1 и 2 включены соединенные последовательно входна  цепь силового управл емого ключа 3 и нагрузки 4 индуктивного характера, причем с вторым выходным зажимом соединен вывод нагрузки 4, а с первым - электрод выходной цепи силового управл емого ключа 3. Последовательно с выходной цепью силового управл емого ключа 3 включена конденсаторно-диодна  цепь, образованна  соединенными последовательно конденсатором 5 и разв зывающим диодом 6, причем конденсатор 5 соединен с первым входным зажимом 1 устройства через выходную цепь силового управл емого ключа 3, а диод 6 подключен ко второму входному зажиму 2 непосредственно. Параллельно диоду 6 включена управл ема  токоограничивающа  цепь, образованна  соединенными последовательно первой обмоткой 7 магнитного реактора 8 и выходной цепью дополнительного управл емого ключа 9. При этом ко, второму входному зажиму 2, с которым соединен диод б, подключен электрод дополнительного управл емого ключа 9, общий дл  его входной и выходной цепей. Начало первой обмотки 7 магнитного реактора 8 подключено к второму входному зажиму 2 через диод 6, а конец обмотки 7 - к первому входному зажиму 1 через рекуперационный диод 10. Между средней точкой конденсаторнодиодной цепи 5-6 и управл ющим электродом дополнительного управл емого ключа 9 включен токоограничивающий резистор 11. Управл юща  обмотка 12 магнитного реактора 8, дополнительные резистор 13 и диод 14 образуют трансформаторную цепь управлени  дополнительным силовым управл емым ключом 9 Б виде замкнутого контура, причем диод 14 включен параллельно вход .иой цепи дополнительного управл емого ключа 9. Нагрз/зка индуктивного характера образована соединенными последовательно обмоткой дроссел  15, активной частью нагрузки 16, щунтированной конденсатором 17 фильтра (фиг. 2). В магнитный реактор введена коммутирующа  обмотка, состо ща  из двух секций 18.1 и 18.2. Указанна  обмотка, нагрузка индуктивного характера и коммутирующий диод 19 образуют замкнутый контур, причем обща  точка коммутирующего диода 19 и активной части наРУ непосредственно соединена с вторым входным зажимом 2, а точка соединени  ПЫМ ПХППНЫМ ЧЯ КЧМПМ у   ТПиКЯ .ПЙПИНРН1.1Я секций 18.1 и 18.2 коммутирующей обмотки - с общей точкой юнденсатора 5 и электрода выходной цепи силооого управл емого ключа 3. Последовательно с выходной цепью . дополнительного управл емого ключа 9 включен блокирующий диод 20. Конец первой обмотки 7 магнитного реактора 8 через рекуперационный диод 10 подключен к точке соединени  элементов 15--17. В схеме на фиг. 3 нагрузка индуктивного характера представлена первичной обмоткой 15 дроссел  нагрузки 4, а активна  часть нагрузки 16, щунтированна  конденсатором 17 фильтра, подключена к вторичной обмотке 21 дроссел  нагрузки 4 через коммутирующий диод 19. Перва  обмотка 7 магнитного реактора 8 началом подключена к второму входному зажиму 2 через диод 6 и концом - к первому входному зажиму 1 через рекуперационный диод 10. Принцип действи  схемы на фиг. 1 состоит в следующем. При отпирании силового ключа 3 на его электроде, соединенном с конденсатором 5, возникает перепад напр жени  положительной пол рности, передаваемой через конденсатор 5. При этом через токоограничивающий резистор 11 во входную цепь дополнительного управл емого ключа 9 передаетс  отпирающий сигнал. Процесс отпирани  протекает лавинообразно вследствие по влени  на управл ющей обмотке 12 магнитного реактора 8 нарастающего сигнала положительной обратной св зи. После перехода дополнительного управл емого ключа 9 в состо ние высокой проводимости (насыщени ) образуетс  контур зар да конденсатора 5, ток в котором протекает через 1-3-5-7-9-2- 1. Нарастание тока в контуре ограни,чиваетс  индуктивностью витков обмотки 7, вклю ченных последовательно с выходной цепью дополнительного управл емого ключа 9, а напр жение между средней точкой конденсаторно-диодной цепи 5-6 и вторым входным зажимом 2 плавно спадает по мере зар да конденсатора 5. Уменьщение этого напр жени  означает одновременно уменьшение отпирающего сигнала во входной цепи дополнительного управл емого ключа 9, и последний переходит в активный режим. Поскольку по мере зар да конденсатора 5 происходит уменьшение тока дополнительного силового управл емого ключа, то это вызывает по вление ЭДС самоиндукции на обмотке 7 магнитного реактора 8 и, как следствие, по вление запирающего сигнала ,Ч- 1 Drit, tnrit OUliri L/dlV iJ-LCl J iri I П на управл ющей обмотке 12. Вследствие этого дополнительный управл емый ключ 9 запираетс . За счет энергии, накопленной в магнитном реакторе 8, ток продолжает замыкатьс  по обмотке 7, и этим током сначала конденсатор 5 зар жаетс  до полного напр жени  писани , а затем отпира етс  диод 6 и через.цепь 6-7-10-2-1-6 замыкаетс  ток обмотки 7, т. е. происходит отдача в реакторе 8 энергии в источник питани . При подключении рекуперационного диода 10 к нагрузке (как в схеме на фиг. 2) накопленна  энерги  передаетс  в нагрузку, что энергетически более выгодно. Однако при этом процесс вывода энергии из магнитного реактора занимает большее врем , что не всегда приемлемо.: Отп1фание дополнительного силового управл емого ключа 9 может производитьс  током, задаваемым только через токоограничивающий резистор И. Это проще, но энергетически менее выгодно, чем использование цепи положительной обратной св зи, включающей в себ  элементы . Сочетание энергетически выгодных цепи 12-13-14 положительной обратной св зи и передачи энергии из магнитного реактора в нагрузку невозможно в устройстве-прототипе , так как в этом случае возникает опасность автогенерации в части схемы, образованной магнитным реактором и допол ительным силовым управл емым ключом, В предлагаемом устройстве така  опасность отсутствует, так как нет непосредственной св зи соединенных последовательно обмотки 7 магнитного реактора 8 и дополнительного силового ключа 9 с источником питани  ( энергии). В прототипе така  св зь возникает через активную часть нагрузки. Таким образом; в преобразователе конденсатор 5 во врем  провод щего состо ни  силового управл емого ключа 3 зар жаетс  до напр жени  питани . Поэтому при запирании силового управл емого ключа 3 напр жение между электродами его выходной цепи начинает нарастать плавно практически от -нул . Нарастание напр жени  обусловлено разр дом конденсатора 5 током нагрузки 4, причем в процессе разр да энерги  конденсатора передаетс  в нагрузку, Отсутствие скачка напр жени  на силовом управл емом ключе 3 при запирании уменьшает коммутационные потери и повытает надежность работы наиболее загруженного и чувствительного к перегрузкам элемента схемы - силового управл емого ключа 3. В варианте схемы (фиг. 2), где нагрузка содержит соединенные последовательно активную часть 16 и дроссель 15, шунтированные коммутирующим Диодом 19, дополнительное повыщение КПД и надежности обеспечиваетс  за счет ограничени  тока -™лового управл емого ключа 3 во врем  процесса его отпирани . Принцип действи  устройства (фиг. 2) состоит в следующем. Когда силовой управл емый ключ 3 заперт , ток обмотки дроссел  15 замыкаетс  через коммутирующую обмотку магнитного реактора 8 и коммутирующий диод 19. При этом сердечник магнитного реактора 8 находитс  в состо нии насыщени  (отрицательной намагниченности), и напр жение на его обмотках отсутствует. В базе коммутирующего диода 19 накоплен зар д, а конденсатор 5 разр жен. При отпирании силового управл емого ключа 3 коммутирующий диод 19 остаетс  в состо нии высокой проводимости вследствие накопленного зар да, и напр жение источника питани  прикладываетс  к секции 18.2 коммутирующей обмотки магнитного реактора 8. При этом на всех его обмотках возникает напр жение положительной пол рности на началах обмоток. | -Возникшее напр жение на управл ющей обмотке 12 вызывает отпирание дополнительного управл емого ключа 10. Однако, если число витков обмотки 7 выбрано соответствующим образом, равным или большим числа витков секции 18.2 обмотки реактора 8 блокирующий диод 20 оказываетс  под обратным смешением, и ток зар да конденсатора 5 по последовательной цепи 2-3- 5-7-20-9-1-2 не замыкаетс . Положительна  пол рность напр жени  на началах обмоток магнитного реактора 8 означает, что его сердечник начинает перемагничиватьс  в положительном направлении . Между токами обмоток 18:i, 18.2 и 12 устанавливаетс  следующа  св зь: ItWij.j-Its Wi6-i-111 Wi 0. . (1) где W,e-j, Wie-i Wi - числа витков обмоток 18.1, 18.2, 12; «L - ток обмотки дроссел  15 (ток индуктивной нагрузки), который можно считать неизменным при незначительной продолжительности коммутационных процессов; ток коммутирующего диода 19, протекающий через него в обpaTHoiyi направлении; -ток управлени  дополнительного управл емого ключа 9. Третьим слагаемым в выражении (1) можно пренебречь в силу малости тока управлени  и, (-кроме того, если выполнить магнитный реактор 8 таким образом, чтобы W|j«Wn.j.. Это означает, что через коммутирующий диод 19 протекает обратный ток величиной .1 (а через силовой управл емый ключ 3 - ток I (1-1-. Ограниченность указанных токов обусловливает малые потери энергии во врем  процесса коммутации диода 19 как в самом диоде, так ив CHJjOBOM управл емом ключе 3. Во врем  коммутационного процесса запирани  диода 19 от источника питани  пот.ребуетс  дополнительна  энерги , обусловленна  протеканием через источник обратного тока диода 19. Однако эта энерги  не тер етс  бесполезно, а накапливаетс  Б дросселе 15 цепи нагрузки, что вызвано дополнительным напр жением в цепи нагрузки , трансформируемым из обмотки 18.2 в обмотку 18.1. После запирани  коммутирующего диода 19 уменьшаетс  напр жение на обмотках магнитного реактора 8, и отпираетс  блокирующий диод 20. При этом по контуру 1-3-5-7-20-9-2-1 начинаетс  замыкатьс  ток зар да конденсатора 5, а величина тока устанавливаетс  равной 1, т. е. ограничена по абсолютной величине. В процессе зар да конденсатора 5 от источника питани  потребл етс  дополнительна  энерги , котора  не тер етс  бесполезно . Частично она накапливаетс  в конденсаторе 5, а частично передаетс  в цепь загрузки, что обусловлено напр жением, трансформируемым из обмотки 7 в обмотку 18.1. По мере зар да конденсатора 5 уменьщаетс  напр жение на обмотке 7, и соответственно уменьшаетс  управл ющее напр жение на обмотке 12. Когда управл ющее напр жение на обмотке 12 станет недостаточным дл  поддержани  дополнительного управл ющего ключа 9 в состо нии высокой проводимости, последний регенераТИВНО перейдет к запертое состо ние. Однако зар д конденсатора 5 продолжаетс , но теперь ток зар да замыкаетс  через рекуперационный диод 10. Когда в процессе зар да конденсатора 5 потенциал средней точки конденсаторнодиодной цепи 5-6 становитс  меньше потенциала на катоде рекуперационного диода 10, пол рность на обмотках магнитного реактора 8 мен етс  на противоположную, и начинаетс  перемагничивание сердечника в отрицательном направлении. При этом по обмотке 7 продолжаетс  протекание прежнего тока, что обусловлено непрерывностью тока обмотки 18.1. Дополнительна  энерги , котора  была передана в дроссель 15 во .зрем  обратной проводимости коммутирующего диода 19 и в течение части процесса зар да конденсатора 5, теперь выводитс  из дроссел  15 и передаетс  в активную часть 16 нагрузки 4 (или в источник питани  если катод диода 10 подключен к входному зажиму 2). Током обмотки 7 конденсатор 5 зар жаетс  до напр жени  питани , после чего отпираетс  диод 6, и ток обмотки 7 начинает замыкатьс  через него. Перемагничивание сердечника магнитного реактора 8 в отрицательном направлении вызывает переход его в состо ние насыщени . При этом индуктивное сопротивление обмоток становитад равным нулю, исчезают напр жени  на обмотках, и запираетс  рекуперационный диод 10. После запирани  основного силового управл емого ключа 3 процессы в схеме подобны описанным выше процессам в схеме на фиг. 1. Обмотка 7 может быть выполнена двухсекционной , а в последовательную управл емую токоограничительную цепь 7-20-9, включенную параллельно диоду 6 конденсаторно-диодной цепи, включена только часть витков обмотки 7. При этом уменьшаетс  напр жение на дополнительном управл емом ключе 9 во врем  вывода энергии ИЗг.агнитного реактора 8. Коммутирующа  обмотка магнитного реактора 8 может быть выполнена односекционной , например, в виде секции 18.2. В этом случае, однако, сердечник магнитного реактора 8 должен обладать линейной магнитной характеристикой, и дополк-ительна  компонента тока силового упраБл. емого ключа 3, обусловленна  процессами запирани  коммутирующего диода 19 и зар да конденсатора 5, определ етс  индуктивностью обмоток магнитного реактора 8. Односекционна  коммутирующа  обмотка магнитного реактора 8 может быть включена между электродом выходной цепи силового управл емого ключа 3, с которым соединен вывод демпфирующего конденсатора 5, и выводом нагрузки. Принцип действи  устройства на фиг. 3 полностью подобен принципу действи  устройства на фиг. 1. Следует только отметить, что дл  схемы на фиг. 3 применение цепи управлени  дополнительным управл емым ключом 9 с использованием управл ющей обмотки 12  вл етс  об зательным, так как при отпирании ключа 9 ток через токоограничивающий резистор 11 снижаетс  практически до нул , что не дает возможности без введени  дополнительных управл ющих цеоей осуществить поддержание высокой проводимости указанного ключа 9. Предлагаемый преобразователь по сравнению с прототипом имеет более высокий КПД и надежность за счет обеспечени  полного зар да конденсатора до напр жени  питани  перед очередным выключением силевого управл емого ключа. Кроме того, дополнительное введение в преобразователь коммутирующей обмотки магнитного реактора облегчает режим коммутации силового управл емого ключа, что также способствует позыщению надежности.

Claims (6)

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий силовой управляемый ключ, своей выходной цепью включенный последовательно с источником питания через цепь нагрузки, комму- тирующий диод цепи нагрузки, конденсаторно-диодную цепь, образованную соединенными последовательно конденсатором и развязывающим диодом, причем конденсатор через выходную цепь силового управляемого ключа соединен с первым входным зажимом преобразователя, а развязывающий диод шунтирован цепью, образованной соединенными последовательно первой обмоткой магнитного реактора и дополнительным управляемым ключом, рекуперационный диод и цепь управления указанным дополнительным ключом, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, развязывающий диод соединен с вторым входным зажимом преобразователя, а первая обмотка магнитного реактора подключена к приемнику энергии.

Риг. 1

2. Преобразователь по π. 1, отличающийся тем, что с вторым входным зажимом соединен электрод дополнительного управляемого ключа, общий для его входной и выходной цепей, а между управляющим электродом и средней точкой конденсаторнодиодной цепи включен токоограничивающий резистор.

3. Преобразователь по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что цепь управления дополнительным управляемым ключом выполнена в виде замкнутого контура, образованного соединенными последовательно управляющей обмоткой магнитного реактора и дополнительными резистором и диодом, причем последний включен параллельно входной цепи дополнительного управляемого ключа.

,

4. Преобразователь по пп. 1—3, отличающийся тем, что, с целью ограничения всплесков тока через силовой управляемый транзистор, введены коммутирующая обмотка магнитного реактора и блокирующий диод, причем коммутирующая обмотка включена последовательно с выходной цепью силового управляемого ключа, а блокирующий диод включен последовательно с цервой-обмоткой магнитного реактора.

5. Преобразователь по п. 4, отличающийся тем, что коммутирующая обмотка магнитного реактора выполнена из двух секций, и соединена последовательно с коммутирующим диодом и нагрузкой, а точка соединения секций подключена к электроду выходной цепи силового управляемого ключа.

6. Преобразователь по п. 4, отличающий' ся тем, что коммутирующая обмотка магнитного реактора соединена последовательно с первичной обмоткой дросселя нагрузки, вторичная обмотка которого через коммутирующий диод подключена к активной части нагрузки.