Статический преобразователь с квазирезонансной коммутацией тока

 

Изобретение относится к статическим преобразователям и предназначено для использования в качестве многофункционального высокочастотного преобразователя. Преобразователь выполнен содержащим два последовательно соединенных источника постоянного напряжения и два управляемых ключа, шунтированных диодами, образующих полумостовую схему. Конденсатор резонансного контура с параллельно включенной нагрузкой включены в диагональ моста. Индуктивность резонансного контура или ее часть выполнена в виде двух идентичных катушек, включенных в плечи моста. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей преобразователя путем совмещения в нем функций преобразования постоянного питающего напряжения как в постоянное, так и переменное при небольшом усложнении схемы, а также повышение надежности работы преобразователя за счет ограничения скорости нарастания тока через управляемые ключи при опрокидывании преобразователя так, чтобы можно было отключить цепь питания преобразователя либо выключить управляемые ключи. 2 ил.

Изобретение относится к преобразовательной технике, а именно к статическим преобразователям и предназначено для использования в качестве многофункционального высокочастотного преобразователя.

Известны однотактные схемы статических преобразователей с последовательным резонансным контуром и квазирезонансной коммутацией тока, работающие в двухполупериодном режиме [1-2].

Достоинством рассматриваемых преобразователей является бестоковое выключение управляемых полупроводниковых ключей и естественная коммутация, что обеспечивает высокую надежность коммутации, снижает нагрузку на ключи и коммутационные потери в них.

К недостаткам преобразователей можно отнести то, что они выполнены однотактными и позволяют получить на выходе только постоянное напряжение.

На фиг. 10 в [2] показана схема преобразователя, которую можно использовать в качестве прототипа. В составе преобразователя имеется источник постоянного напряжения, последовательный резонансный LC-контур, подключенный к положительному выводу источника через управляемый ключ, шунтированный антипараллельным диодом. Первичная обмотка трансформатора включена параллельно конденсатору резонансного контура, а вторичная - через сглаживающий фильтр - к нагрузке. Параллельно вторичной обмотке включен шунтирующий элемент.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей преобразователя путем совмещения в нем функций преобразования постоянного питающего напряжения как в постоянное, так и переменное при небольшом усложнении схемы, а также повышение надежности работы преобразователя за счет ограничения скорости нарастания тока через управляемые ключи при опрокидывании преобразователя так, чтобы можно было либо отключить цепь питания преобразователя, либо выключить управляемые ключи.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство-прототип вводится второй источник постоянного напряжения, включенный последовательно с первым, а также второй управляемый ключ, шунтированный антипараллельным диодом. Через него резонансный контур подключается к отрицательному выводу второго источника постоянного напряжения. Вводятся также два переключателя, каждый из которых состоит из двух встречно-параллельно включенных управляемых ключей, через которые начало и конец вторичной обмотки трансформатора подключены к одному выводу нагрузки. Вторичная обмотка трансформатора имеет нулевой вывод, подключенный ко второму выводу нагрузки. В полученном таким образом преобразователе, содержащем источник постоянного напряжения со средней точкой, две цепочки из встречно-параллельно включенных управляемого ключа и диода и последовательный резонансный LC-контур, резонансная индуктивность разбивается на две части: одна часть остается в диагонали преобразователя, а вторая включается между положительным выводом источника напряжения и общей точкой управляемого ключа и антипараллельного диода. Точно такая же индуктивность включается между отрицательным выводом источника постоянного напряжения и общей точкой другого управляемого ключа и антипараллельного диода. Пропорции в разделении резонансной индуктивности определяются заданной скоростью нарастания тока через управляемые ключи при опрокидывании преобразователя. В предельном случае, в частности, при работе на достаточно высоких частотах, вся резонансная индуктивность будет вынесена из диагонали преобразователя.

Схема преобразователя приведена на фиг. 1а, 1б. На фиг. 2 приведены диаграммы, иллюстрирующие работу преобразователя в режиме формирования постоянного выходного напряжения.

Схема имеет в своем составе два последовательно соединенных управляемых ключа с антипараллельными диодами (1 и 2), подключенных через индуктивности (5 и 6), ограничивающими скорость нарастания тока и одновременно входящими в резонансный контур, к двум последовательно соединенным источникам постоянного напряжения (3 и 4), причем ключ 1 с антипараллельным диодом через индуктивность 5 подсоединен к "+" (3), а ключ 2 - к "-" (4) источников постоянного напряжения. Резонансный контур, состоящий из индуктивности (7) и конденсатора (8), подключен между общей точкой источников постоянного напряжения (3 и 4) и общей точкой соединения управляемых ключей (1 и 2), т.е. в диагональ полумоста. К зажимам резонансного конденсатора подключен высокочастотный трансформатор (9) с нулевой отпайкой на вторичной обмотке. К выводам вторичной обмотки трансформатора (9) подключены два коммутатора, каждый из которых состоит из двух встречно-параллельно включенных управляемых ключей (13-16), общая точка которых и нулевая отпайка вторичной обмотки трансформатора (9) через фильтр, состоящий из реактора (10) и конденсатора (11) подключены к нагрузке (12).

Защитные цепи, состоящие из диодов 26 (29), конденсаторов 27 (30) и резисторов 28 (31) предназначены для защиты ключей 1 (2) от коммутационных перенапряжений.

Работу преобразователя рассмотрим на примере предельного случая фиг. 1б, когда индуктивности 5 и 6 составляют 100% контурной индуктивности, т.е. индуктивность резонансного контура вынесена из диагонали полумостового преобразователя в его плечи. Преобразователь работает в режиме стабилизации и регулирования постоянного выходного напряжения, осуществляемом за счет изменения плотности расстановки импульсов.

В момент t1 (фиг. 2) управляемый ключ 1, шунтированный антипараллельным диодом, приводится в проводящее состояние. Ток i_c проходит через ключ в прямом (t1 - t2) и через антипараллельный диод в обратном (t2 - t3) направлениях. При этом на конденсаторе 8 образуется положительная волна напряжения U_c, которая через трансформатор 9, управляемый ключ 13 и фильтр 10, 11 подается на нагрузку 12. Для обеспечения в кривой напряжения паузы t_п (t3 - t4), что соответствует выключенному ключу с антипараллельным диодом, ток замыкается через диоды 17, 18 и ключ 21. По истечении времени паузы включается ключ 2. На конденсаторе формируется отрицательная волна напряжения U_c, которая управляемым ключом 16 инвертируется и подается через фильтр на нагрузку. На нагрузке создается постоянное, регулируемое за счет изменения длительности паузы, напряжение.

В случае одновременного аварийного включения управляемых ключей 1 и 2, скорость нарастания тока через них по цепи "+"(3) - индуктивность 5 - ключ 1 - ключ 2 - индуктивность 6 - "-"(4) ограничивается суммарной индуктивностью 5 и 6, то есть двойной контурной индуктивностью.

Если на индуктивностях 5 и 6 расположить дополнительные сигнальные обмотки 22 и 23, соответственно, то снимаемый с них сигнал можно, после соответствующей обработки устройствами 24 и 25, использовать как для отключения ключей 1 и 2, так и для отключения источника постоянного напряжения, причем критерием аварийного отключения может служить как скорость нарастания тока, так и его величина.

Источники информации 1. K.H. Liu и др. Квазирезонансные преобразователи - топология и характеристики. IEEE Transactions on Power Electronics, том PE-2, N 1, 1987, стр. 62-71.

2. F. Q. Lee. Квазирезонансные преобразователи с переключением при нулевом токе, работающие в двухполупериодном режиме. Патент США N 4720667, НКИ 323-271.

Формула изобретения

Статический преобразователь с квазирезонансной коммутацией тока, содержащий источник постоянного напряжения, последовательный резонансный контур, подключенный первым выводом к положительного выводу источника постоянного напряжения через управляемый ключ, шунтированный антипараллельным диодом, и согласующий элемент с нагрузкой, подключенной параллельно конденсатору последовательного резонансного контура, отличающийся тем, что в него введены второй источник постоянного напряжения, второй управляемый ключ, шунтированный антипараллельным диодом, через который резонансный контур подключен к отрицательному выводу второго источника постоянного напряжения, причем источники постоянного напряжения и управляемые ключи образуют полумостовую преобразовательную схему, в диагональ которой между точками соединения источников и управляемых ключей включен конденсатор резонансного контура, в качестве согласующего элемента применен трансформатор с нулевой отпайкой на вторичной обмотке, а индуктивность резонансного контура или ее часть выполнена в виде двух идентичных индуктивностей, включенных в плечи полумоста соответственно, одна - между положительным выводом первого источника постоянного напряжения и анодом первого из последовательно включенных управляемых ключей, а вторая - между отрицательным выводом второго из последовательно включенных источников постоянного напряжения и катодом второго из последовательно соединенных управляемых ключей, к выводам вторичной обмотки трансформатора подключены два коммутатора, каждый из которых состоит из двух встречно-параллельно включенных управляемых ключей, общая точка которых и нулевая отпайка вторичной обмотки трансформатора подключены к нагрузке.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3