Полномостовой преобразователь постоянного напряжения с мягкой коммутацией

Изобретение относится к электротехнике, в частности к высокочастотным преобразователям постоянного напряжения с гальванической развязкой цепей, и может быть использовано в электрических схемах различных источников питания. Технический результат заключается в повышении КПД и понижении уровня электромагнитного излучения полномостового преобразователя, работающего в режиме мягкой коммутации силовых ключей во всем диапазоне нагрузки. Технический результат достигается введением резонансного индуктора последовательно с первичной обмоткой трансформатора и двух помехоподавляющих диодов. 1 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к высокочастотным преобразователям постоянного напряжения с гальванической развязкой цепей, и может быть использовано в электрических схемах различных источников питания.

Известно устройство [Патент US 5198969], собранное по схеме полномостового преобразователя с дополнительным индуктором, включенным последовательно с первичной обмоткой, и двумя ограничительными диодами, и работающее в режиме мягкого переключения полевых транзисторов по алгоритму управления со сдвигом фаз. Недостатком данного устройства является невозможность обеспечения мягкого переключения силовых ключей моста в широком диапазоне изменения нагрузки.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является полномостовой преобразователь [Патент US 6016258] с емкостным делителем напряжения и двумя дополнительными индукторами (LCC-цепями), соединенными одним выводом со средней точкой емкостного делителя, а другим выводом каждый соединен с одним из выводов первичной обмотки трансформатора. В качестве силовых ключей использованы полевые транзисторы, изготовленные по технологии MOSFET. Устройство работает в режиме мягкого переключения во всем диапазоне нагрузки по алгоритму со сдвигом фаз, когда каждый силовой ключ в плече моста коммутируется попеременно с небольшой паузой между закрытием одного и открытием другого ключа в плече моста («мертвое время»). Угол сдвига фаз между сигналами управления плеч моста определяет время, в течение которого на выводы первичной обмотки трансформатора подается входное напряжение.

Недостатком данного устройства является следующее. Ток, протекающий через дополнительные индукторы данной схемы, прямо пропорционален входному напряжению, и при высоком входном напряжении (500 В и выше) и большой мощности преобразователя (10 кВт и более) возрастают потери на силовых ключах за счет токов дополнительных индукторов, обеспечивающих мягкое переключение, при этом потери в силовых ключах определяются как

где V_in - входное напряжение, V_sat - прямое падение напряжения на открытом силовом ключе, L - индуктивность дополнительного индуктора, T_s - период коммутации, t_d - «мертвое время». Данные потери ухудшают КПД преобразователя, требуют увеличения габаритов охладителя и применения силовых ключей с большим запасом по максимально допустимому току, что, в свою очередь, увеличивает стоимость преобразователя.

Задачей изобретения является создание полномостового преобразователя с мягкой коммутацией силовых ключей во всем диапазоне нагрузки с высоким входным напряжением, повышенным КПД и пониженным уровнем электромагнитного излучения.

Поставленная задача достигается тем, что в известное устройство, содержащее четыре силовых ключа, соединенные по мостовой схеме, четыре снабберных конденсатора, каждый из которых включен параллельно каждому из ключей, положительную клемму питающего напряжения, соединенную с точкой соединения коллекторов двух ключей моста, отрицательную клемму питающего напряжения, соединенную с точкой соединения эмиттеров двух ключей моста, емкостной делитель, состоящий из двух последовательно включенных конденсаторов, положительный вывод которого соединен с положительной клеммой питающего напряжения, отрицательный вывод соединен с отрицательной клеммой питающего напряжения, трансформатор, первичная обмотка которого одним выводом соединена с точкой соединения коллектора и эмиттера двух ключей моста, два индуктора, одним из своих выводов соединенные друг с другом и подключенные к средней точке емкостного делителя, другой вывод первого индуктора подключен к точке соединения вывода первичной обмотки трансформатора с точкой соединения коллектора и эмиттера двух ключей моста, другой вывод второго индуктора подключен к точке соединения коллектора и эмиттера двух других ключей моста, два выпрямительных диода, анод одного из выпрямительных диодов соединен со входом первой вторичной обмотки, анод другого выпрямительного диода соединен с выходом второй вторичной обмотки, выходной индуктор, одним выводом соединенный с каждым катодом выпрямительных диодов, выходной конденсатор, положительный вывод которого соединен с другим выводом выходного индуктора, отрицательный вывод соединен с выходом первой вторичной обмотки и со входом второй вторичной обмотки, клеммы для подключения нагрузки, одна из которых соединена с отрицательным выводом выходного конденсатора, другая клемма соединена с точкой соединения выходного индуктора и положительного вывода выходного конденсатора, введены резонансный индуктор, одним выводом соединенный с точкой соединения второго индуктора с коллектором и эмиттером ключей моста, другим выводом соединенный с другим выводом первичной обмотки трансформатора, и два помехоподавляющих диода, катод первого помехоподавляющего диода соединен с положительной клеммой питания напряжения, анод второго помехоподавляющего диода соединен с отрицательной клеммой питания напряжения, анод первого и катод второго помехоподавляющих диодов объединены и соединены с точкой соединения введенного резонансного индуктора и выводом первичной обмотки трансформатора.

В качестве силовых ключей могут быть применены любые ключи, имеющие внутренний антипараллельный диод, либо с подключенным внешним диодом. Далее в качестве ключей рассматриваются IGBT с внутренним диодом.

Введение в схему резонансного индуктора L_рез, включенного последовательно с первичной обмоткой трансформатора, позволяет значительно увеличить требуемые индуктивности индукторов L₁ и L₂, а значит, снизить токи через них, что уменьшает потери на силовых ключах согласно (1) при высоком входном напряжении. В то же время индуктивность введенного резонансного индуктора вызывает уменьшение времени (эффективной скважности), в течение которого присутствует напряжение на вторичной обмотке трансформатора, по сравнению со временем, в течение которого входное напряжение подается на первичную обмотку («потеря скважности»):

где D - скважность на первичной обмотки трансформатора, f_sw - частота коммутации, - коэффициент трансформации, N_p - число витков первичной обмотки, N_s - число витков вторичной обмотки, L_pac - индуктивность рассеяния трансформатора, R_н - сопротивление нагрузки

Потеря скважности равна

ΔD=D-D_elf.

Выбирая ΔD не более 0,2, а потери на силовых ключах, вызванные протеканием тока через индукторы L₁ и L₂, не более 5% от прямых потерь ключей, вызванных протеканием тока при максимальной нагрузке на преобразователе, достигается увеличение КПД преобразователя при обеспечении мягкой коммутации силовых ключей во всем диапазоне нагрузки.

Введенные в схему помехоподавляющие диоды шунтируют индуктивность введенного резонансного индуктора при закрытии выпрямительных диодов, что резко снижает высокочастотные колебания на них, вызванные обратными токами выпрямительных диодов, проходящих через паразитную индуктивность первичной цепи трансформатора и паразитные емкости выпрямительных диодов, которые создают перенапряжения на диодах и помехи в цепях питания. В результате защиты таким образом выпрямительных диодов от перенапряжений они выбираются с более низким допустимым обратным напряжением, что снижает прямое падение на диодах и повышает КПД, а также снижает уровень электромагнитного излучения за счет уменьшения амплитуды высокочастотных колебаний на выпрямительных диодах.

На чертеже представлена схема устройства.

Устройство содержит трансформатор Т, имеющий вторичную обмотку со средним выводом, подключенным к отрицательной клемме для подключения нагрузки R_н. Другие выводы вторичной обмотки подключены через диоды VD₃ и VD₄, которые составляют двухполупериодный выпрямитель, к выходному LC-фильтру, состоящему из выходного индуктора L_вых и выходной емкости С_вых. Положительная клемма для подключения нагрузки R_н соединена с положительным выводом выходной емкости С_вых, отрицательная клемма для подключения нагрузки R_н соединена с отрицательным выводом выходной емкости С_вых. Первичная обмотка трансформатора Т соединена последовательно с резонансным индуктором L_рез между средними точками двух плеч моста, состоящими из пар транзисторов VT₁-VT₂ и VT₃-VT₄. Коллекторы транзисторов VT₁ и VT₃ соединены с положительной клеммой питающего напряжения, эмиттеры транзисторов VT₂ и VT₄ соединены с отрицательной клеммой питающего напряжения. Снабберные емкости C₁-C₄ соединены параллельно транзисторам VT₁-VT₄ соответственно. В качестве снабберных емкостей могут выступать паразитные емкости транзисторов. Емкостной делитель С_вх1-С_вх2 соединен положительным выводом с положительной клеммой питающего напряжения, отрицательным выводом - с отрицательной клеммой питающего напряжения. Катод помехоподавляющего диода VD₁ подключен к положительной клемме питающего напряжения, анод помехоподавляющего диода VD₂ подключен к отрицательной клемме питающего напряжения, анод диода VD₁ и катод диода VD₂ объединены и подключены к точке соединения первичной обмотки трансформатора Т с резонансным индуктором L_рез. Индуктор L₁ одним выводом подключен средней точке емкостного делителя С_вх1-С_вх2, другим выводом подключен к точке соединения вывода первичной обмотки трансформатора Т со средней точкой плеча VT₃-VT₄. Индуктор L₂ одним выводом подключен средней точке емкостного делителя С_вх1-С_вх2, другим выводом подключен к точке соединения резонансного индуктора L_рез со средней точкой плеча VT₁-VT₂.

В качестве силовых ключей могут быть применены любые ключи, имеющие внутренний антипараллельный диод, либо с подключенным внешним диодом.

Устройство работает следующим образом.

Постоянное напряжение U_вх подается на первичную обмотку трансформатора Т через мостовую схему, состоящую из ключей VT₁-VT₄, в которой каждый силовой ключ в плече моста (VT₁-VT₂ и VT₃-VT₄) коммутируется попеременно с небольшой паузой между закрытием одного и открытием другого ключа, а угол фазы, на который смещена коммутация одного плеча относительно другого, определяет время, в течение которого U_вх подается на первичную обмотку. Изменяя угол фазы в зависимости от колебания входного напряжения U_вх, напряжение на выходе преобразователя стабилизируется на заданном уровне. Когда один из транзисторов выключается, ток первичной обмотки трансформатора поддерживается за счет энергии, накопленной в резонансном индукторе L_рез, индуктивности рассеяния L_pac и одном из индукторов L₁ и L₂, подключенном к данному транзистору, который, проходя через снабберные емкости, вызывает их перезаряд, что обеспечивает коммутацию транзисторов при нулевом напряжении. Таким образом, снижаются коммутационные потери в силовых ключах моста.

Величины емкостей делителя напряжения С_вх1-С_вх2 выбираются достаточно большими, чтобы обеспечить постоянство напряжения средней точки делителя за период коммутации силовых транзисторов.

Помехоподавляющие диоды VD₁ и VD₂ шунтируют индуктивность резонансного индуктора L_рез при закрытии выпрямительных диодов VD₃ и VD₄, что резко снижает высокочастотные колебания на них, вызванные обратными токами выпрямительных диодов VD₃ и VD₄, проходящих через паразитную индуктивность первичной цепи трансформатора, и паразитные емкости выпрямительных диодов VD₃ и VD₄, которые создают перенапряжения на выпрямительных диодах и увеличивают уровень электромагнитного излучения. В результате защиты таким образом выпрямительных диодов от перенапряжений они выбираются с более низким допустимым обратным напряжением, что снижает прямое падение на диодах и повышает КПД, также снижается уровень электромагнитного излучения за счет уменьшения амплитуды высокочастотных колебаний на выпрямительных диодах.

На вторичных обмотках трансформатора Т переменное напряжение выпрямляется диодами VD₃, VD₄ и поступает через фильтр L_выхС_вых на клеммы для подключения нагрузки R_н.

Введение в схему резонансного индуктора L_рез и помехоподавляющих диодов позволяет создать полномостовой преобразователь с мягкой коммутацией силовых ключей во всем диапазоне нагрузки с высоким входным напряжением, повышенным КПД и пониженным уровнем излучения помех.

Полномостовой преобразователь постоянного напряжения с мягкой коммутацией, содержащий четыре силовых ключа, соединенные по мостовой схеме, четыре снабберных конденсатора, каждый из которых включен параллельно каждому из ключей, положительную клемму питающего напряжения, соединенную с точкой соединения коллекторов двух ключей моста, отрицательную клемму питающего напряжения, соединенную с точкой соединения эмиттеров двух ключей моста, емкостной делитель, состоящий из двух последовательно включенных конденсаторов, положительный вывод которого соединен с положительной клеммой питающего напряжения, отрицательный вывод соединен с отрицательной клеммой питающего напряжения, трансформатор, первичная обмотка которого одним выводом соединена с точкой соединения коллектора и эмиттера двух ключей моста, два индуктора, одним из своих выводов соединенные друг с другом и подключенные к средней точке емкостного делителя, другой вывод первого индуктора подключен к точке соединения вывода первичной обмотки трансформатора с точкой соединения коллектора и эмиттера двух ключей моста, другой вывод второго индуктора подключен к точке соединения коллектора и эмиттера двух других ключей моста, два выпрямительных диода, анод одного из выпрямительных диодов соединен со входом первой вторичной обмотки, анод другого выпрямительного диода соединен с выходом второй вторичной обмотки, выходной индуктор, одним выводом соединенный с каждым катодом выпрямительных диодов, выходной конденсатор, положительный вывод которого соединен с другим выводом выходного индуктора, отрицательный вывод соединен с выходом первой вторичной обмотки и со входом второй вторичной обмотки, клеммы для подключения нагрузки, одна из которых соединена с отрицательным выводом выходного конденсатора, другая клемма соединена с точкой соединения выходного индуктора и положительного вывода выходного конденсатора, отличающийся тем, что в него введены резонансный индуктор, одним выводом соединенный с точкой соединения второго индуктора с коллектором и эмиттером ключей моста, другим выводом соединенный с другим выводом первичной обмотки трансформатора, и два помехоподавляющих диода, катод первого помехоподавляющего диода соединен с положительной клеммой питания напряжения, анод второго помехоподавляющего диода соединен с отрицательной клеммой питания напряжения, анод первого и катод второго помехоподавляющих диодов объединены и соединены с точкой соединения введенного резонансного индуктора и выводом первичной обмотки трансформатора.