Импульсный преобразователь сетевого напряжения и способ управления им

Изобретение может быть применено для повышения технико-экономических показателей однотактных импульсных преобразователей, получающих питание непосредственно от сети переменного напряжения посредством выпрямителя без применения сглаживающих конденсаторов. Технический результат состоит в уменьшении коммутационных потерь и перенапряжений в цепи силового транзистора за счет уведения тока этого транзистора непосредственно перед выключением в параллельные цепи, содержащие предварительно заряженный демпфирующий конденсатор сравнительно малой емкости, разделительный диод и вспомогательный транзисторный ключ сравнительно малой мощности. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для повышения технико-экономических показателей импульсных преобразователей, получающих питание непосредственно от сети переменного тока, путем сокращения числа комплектующих элементов, а также уменьшения токовой загрузки силовых транзисторных ключей в моменты коммутаций и возникающих при этом коммутационных перенапряжений.

Преобразователи указанного типа традиционно выполняются по структуре, содержащей выпрямитель сетевого напряжения, конденсаторный фильтр для сглаживания выпрямленного напряжения, согласующий трансформатор и силовые транзисторные ключи [см., например, 1) Моин B.C. Стабилизированные транзисторные пареобразователи.: М. Энергоатомиздат, 1986. 2) Севернс Р., Блум Г. Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания.: М. Энергоатомиздат, 1988. ]. Перенос трансформатора из входных цепей питания с промышленной частотой 50 Гц в выходные цепи преобразователя с более высокой частотой модуляции вплоть до десятков и сотен кГц позволяет существенно уменьшить массогабаритные показатели данного элемента, что является главным достоинством указанной структуры. Дальнейшее ее усовершенствование возможно за счет уменьшения емкости или даже полного устранения из состава преобразователя сглаживающего конденсатора, имеющего, как правило, достаточно большие габариты и стоимость. Такое исключение возможно на основе прямого высокочастотного преобразования сетевого напряжения, ведущего к устранению в его составе низкочастотной сетевой составляющей модуляционным способом без сглаживающих конденсаторов [см. Сидоров С.Н. Способ управления транзисторным преобразователем с однофазным звеном повышенной частоты. Патент РФ №2227958, опубл. в БИ №12, 2004 г.]. Показано, что такое устранение возможно путем выравнивания вольтсекундной площади импульсов напряжения в первичных обмотках трансформатора, что ведет к существенному уменьшению низкочастотной составляющей в его составе до уровня нескольких % в схемах с предварительным однофазным двухполупериодным выпрямлением или даже к полному устранению этой составляющей в схемах с трехфазным выпрямлением. Вместе с тем в большинстве случаев преобразователи указанного типа должны отвечать не одному, а комплексу требований, к числу которых прежде всего следует отнести минимальный уровень коммутационных потерь и перенапряжений в цепях силовых транзисторов. Предлагаемое техническое решение представляет попытку решения указанных проблем установкой на выходе выпрямителя вместо сглаживающего конденсатора аналогичного элемента другого назначения - демпфирующего неполярного конденсатора значительно меньшей емкости и стоимости. Наиболее близкое решение, основывающееся на применении в импульсных преобразователях конденсаторов, содержится, например, в статьях 1) S.Clemente, В. Pelly, R. Ruttonsha Универсальный источник питания с частотой 100 кГц на одном МОП ПТ. - Силовые полупроводниковые приборы. Пер. с англ. под ред. В. Токарева. Воронеж, 1995. 2) П.Угринов Ограничение напряжения на ключевом транзисторе в однотактных преобразователях напряжения. - Силовая электроника, №1, 2004. Тематическое приложение к журналу "Компоненты и технологии".

Известное решение предполагает наличие в схеме однотактного импульсного преобразователя первичного источника питания в виде выпрямителя сетевого напряжения на диодах, а также согласующего трансформатора, первичная обмотка которого, зашунтированная в обратном направлении разрядным диодом, подключена в проводящем направлении тока к полюсам выпрямителя с помощью силового транзисторного ключа, а также наличие демпфирующего конденсатора, одна из обкладок которого присоединена к положительному полюсу выпрямителя, а другая обкладка подключена в направлении заряда конденсатора к отрицательному полюсу выпрямителя с помощью разделительного диода.

Известный способ управления преобразователем указанного типа предусматривает формирование и широтно-импульсное регулирование напряжения в цепи нагрузки путем циклического подключения с высокой частотой первичной обмотки согласующего трансформатора с помощью силового транзисторного ключа к источнику сетевого выпрямленного напряжения с последующим уменьшением или устранением в составе этого напряжения низкочастотной составляющей, за счет надлежащего выбора моментов переключений, выравнивающего вольт-секундные площади импульсов напряжения в первичных обмотках указанного трансформатора в течение каждой полуволны сетевого выпрямленного напряжения без предварительного его сглаживания и использования конденсатора на выходе источника в качестве демпфирующего элемента, служащего для ограничения коммутационных перенапряжений и потерь в силовых транзисторах за счет уменьшения величины и скорости изменения тока перед их выключением.

Для решения указанных выше задач предлагается в схему однотактного импульсного преобразователя дополнительно ввести вспомогательный транзисторный ключ сравнительно малой мощности, присоединенный первым выводом к точке подключения демпфирующего конденсатора в направлении его разряда с анодом разделительного диода, а вторым выводом присоединенный к точке соединения первичной обмотки трансформатора с силовым транзисторным ключом. Предлагаемый способ управления вспомогательным транзисторным ключом направлен на уменьшение тока и потерь мощности в силовом транзисторном ключе при их запирании и состоит в кратковременном периодическом включении вспомогательного транзистора в моменты времени, непосредственно предшествующие выключению силовых транзисторов, с последующим одновременным выключением силовых и вспомогательных транзисторных ключей.

На фиг.1, 2 приведены результаты имитационного компьютерного моделирования с помощью программы "Electronics Workbench" электромагнитных процессов в преобразователе, принятом за прототип;

на фиг.3 представлена упрощенная модель преобразователя с одноразовым включением-выключением силового транзистора, подтверждающая правомерность предлагаемого решения; на фиг.4 - результаты компьютерного моделирования однотактного импульсного преобразователя, работа которого происходит в соответствии с предлагаемым техническим решением.

Для знакомства с работой устройства, принятого за прототип, на фиг.1 приведена схема однотактного импульсного преобразователя, питание которого осуществляется от однофазного сетевого источника переменного напряжения посредством выпрямителя, в выходных цепях которого отсутствует сглаживающий конденсатор. Видно, что в случае традиционного управления силовым транзистором с постоянной скважностью управляющих импульсов присутствие в напряжении питания низкочастотных пульсаций с частотой 100 Гц приводит к значительным нежелательным пульсациям с этой же частотой тока нагрузки на выходе преобразователя (см. фиг.1а). Тем не менее, применением способа управления, ведущего к выравниванию вольт-секундных площадей выходного импульсного напряжения, согласно Патенту РФ №2227958, указанную низкочастотную составляющую в токе можно существенно уменьшить (см. фиг.1б), а при питании от трехфазного источника даже полностью устранить (см. фиг.2б). Таким образом, в случаях формирования тока заданной формы выполнение импульсного преобразователя и его питание от сети переменного напряжения возможно модуляционным способом без применения сглаживающих конденсаторов значительной емкости.

Однако на практике преобразователи указанного типа должны отвечать нескольким требованиям, к числу которых, кроме отсутствия габаритных и дорогих сглаживающих конденсаторов, следует отнести минимальный уровень коммутационных потерь и перенапряжений в цепях силовых транзисторов. Решение данной задачи известно, например, из практики резонансных инверторов и предполагает выключения силового транзистора в моменты достижения тока и напряжения в силовой цепи минимального, в частности нулевого, уровня. Однако широтно-импульсное регулирование в условиях резонанса затруднительно, в связи с чем области применения указанного решения ограничены. Поэтому уменьшение тока силового транзистора перед выключением предлагается осуществлять путем создания параллельных цепей, в одной из которых устанавливается демпфирующий конденсатор, имеющий необходимое превышение напряжения по сравнению с напряжением в цепи силового транзистора. Принципиальную возможность подобного уведения тока в параллельные цепи иллюстрирует упрощенная модель преобразователя на фиг.3, работающая, с целью наглядности, в режиме одноразового включения-выключения. Преобразователь содержит сетевой источник питания с выпрямителем на диодах 1, согласующий трансформатор 2, присоединение первичной обмотки которого к выпрямителю осуществляется с помощью силового транзисторного ключа 3, выполненного в данном случае по неуправляемой составной схеме соединения двух биполярных транзисторов. В параллель к полюсам выпрямителя подключен демпфирующий конденсатор 4 с последовательно соединенным в направлении заряда конденсатора разделительным диодом 5. Для выполнения поставленной задачи коллекторную цепь силового транзисторного ключа предлагается соединить с точкой соединения конденсатора и диода с помощью коммутирующего элемента 6, роль которого в рассматриваемой модели выполняет переключатель Space. В выходной цепи силового транзистора установлен датчик тока Iv, позволяющий наблюдать процесс коммутации силового транзистора с помощью виртуального осциллографа. Полагается, что в исходном состоянии Space находится в разомкнутом нижнем положении. При подаче напряжения ток Iv начинает возрастать, при этом конденсатор 4 к моменту времени, совпадающему с серединой экрана осциллографа, оказывается заряжен до величины, не меньшей амплитудного значения питающего напряжения. Перевод Space во включенное верхнее положение приводит к присоединению отрицательной обкладки конденсатора к выходной цепи силового транзистора, что способствует уведению тока первичной обмотки трансформатора из цепи с силовым транзистором в две параллельные цепи с конденсатором 4 и разделительным диодом 5. В результате, как это видно из осциллограммы, ток силового транзисторного ключа практически мгновенно снижается до нуля, а напряжение на его коллекторе остается незначительным, равным падению напряжения на разделительном диоде. При этом создаются условия для последующего выключения силового транзистора практически в обесточенном состоянии при малом напряжении на силовых выводах. В реальных условиях это означает существенное уменьшение коммутационных потерь мощности в транзисторе, а заодно и коммутационных перенапряжений на данном основном элементе схемы. Можно видеть, что выполнение данной задачи требует применения демпфирующего конденсатора сравнительно малой емкости, выбор которой должен обеспечить равенство или некоторое превышение половины периода собственных колебаний LC-цепи, в которой происходит перезаряд конденсатора, по сравнению с собственным временем выключения силового транзистора.

Реальная схема предлагаемого устройства изображена на фиг.4. Кроме названных элементов схема содержит вспомогательный транзисторный ключ 6 вместо переключателя Space, кратковременное подключение которого осуществляется с помощью специального управляющего устройства Regul 3 с некоторым упреждением относительно моментов выключения силового транзисторного ключа. Так как электромагнитные процессы коммутации не зависят от способа модуляции, рассмотрение работы данного устройства проведено при постоянной скважности управляющих импульсов. Для наблюдения за изменениями токов в цепях с силовым и вспомогательным транзисторами, а также в цепи с конденсатором применяются датчики тока ДТ1 - ДТ3. Осциллограммы на фиг.4а иллюстрируют форму тока в цепи силового транзисторного ключа (верхний луч) и тока вспомогательного транзистора (нижний луч). Видно, что кратковременные включения вспомогательного транзистора действительно происходят с упреждением относительно моментов выключения силового транзистора и сопровождаются уведением тока последнего в параллельную цепь. Последующие выключения силового и вспомогательных транзисторов происходят одновременно и у каждого - при меньшем токе по сравнению с амплитудным значением тока нагрузки. Исследования схемы показали, что степень уменьшения тока силового транзистора перед выключением зависит как от времени упреждения при включении вспомогательного транзистора, так и от степени насыщения последнего. В любом случае величина среднего тока вспомогательного транзистора оказывается меньше коммутируемого тока нагрузки, в связи с чем мощность данного элемента сравнительно мала. Осциллограммы на фиг.4б иллюстрируют форму тока демпфирующего конденсатора (нижний луч), которая подтверждает колебательный характер перезаряда этого конденсатора и правильность рекомендации по выбору его емкости.

1. Импульсный преобразователь сетевого напряжения, содержащий первичный источник питания в виде выпрямителя сетевого напряжения на диодах, а также согласующий трансформатор, первичная обмотка которого, зашунтированная в обратном направлении разрядным диодом, подключена в проводящем направлении к полюсам выпрямителя с помощью силового транзисторного ключа, а также содержащий демпфирующий конденсатор, одна из обкладок которого присоединена к положительному полюсу выпрямителя, а другая обкладка подключена в направлении заряда конденсатора к отрицательному полюсу выпрямителя с помощью разделительного диода, отличающийся наличием вспомогательного транзисторного ключа сравнительно малой мощности, который первым выводом подключен к точке соединения демпфирующего конденсатора с анодом разделительного диода, а вторым выводом присоединен в направлении разряда демпфирующего конденсатора к точке соединения первичной обмотки трансформатора с силовым транзисторным ключом.

2. Способ управления однотактным импульсным преобразователем, предусматривающий формирование и широтно-импульсное регулирование напряжения путем циклического подключения с высокой частотой первичной обмотки согласующего трансформатора с помощью силового транзисторного ключа к источнику сетевого выпрямленного напряжения, а также устранение в составе напряжения первичной обмотки трансформатора низкочастотной составляющей с частотой сети за счет надлежащего выбора моментов переключений, выравнивающего вольт-секундные площади указанных импульсов в течение каждой полуволны выпрямленного напряжения без предварительного его сглаживания и использования конденсатора на выходе источника питания в качестве демпфирующего элемента, служащего для ограничения коммутационных перенапряжений и потерь в силовых транзисторах за счет уменьшения величины и скорости изменения тока перед их выключением, отличающийся тем, что указанное уменьшение тока обеспечивают параллельным присоединением к силовому транзистору предварительно заряженного на предшествующем внекоммутационном интервале демпфирующего конденсатора в направлении его разряда с помощью вспомогательного транзистора с последующим выключением силового транзистора и снятием отпирающего импульса с управляющего входа вспомогательного транзистора.