Высоковольтный преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение

Изобретение относится к преобразователю постоянного напряжения в постоянное напряжение и может быть использовано для управления инверторами, например, в аэронавтике. Высоковольтный преобразователь характеризуется тем, что он включает в себя основной ключ (К), образованный нормально замкнутым элементом (J1) ключа, соединенным последовательно с нормально разомкнутым элементом (M1) ключа, снабженным цепью управления (G2), нагрузку (Z1), соединенную последовательно с основным ключом (K), причем основной ключ и нагрузка (Z1) предназначены для соединения к полюсам источника (Е) постоянного напряжения. Источник (Vp) напряжения, который можно использовать для управления (К), получается путем подсоединения основной пиковой детекторной цепи (DC) в средней точке (К), причем точка упоминается как (А). Питание цепи управления (G2) нормально разомкнутого элемента (M1) ключа может осуществляться постоянным напряжением (Vp), что делает устройство, в целом, имеющим автономное питание. Основная пиковая детекторная цепь (DC) дополнительно включает в себя дополнительный однонаправленный токовый ключ (Dj), подсоединенный с одной стороны к узлу (В) между хранилищем (С1) электрической энергии и однонаправленным токовым ключом (D1), а с другой стороны к вторичной обмотке. Технический результат - повышение эффективности за счет использования системы с отсечкой и осуществления запуска при очень низком входном напряжении. 8 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к преобразователю постоянного напряжения в постоянное напряжение, запитанному от источника постоянного напряжения, имеющего большой динамический диапазон по напряжению.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Источник постоянного напряжения, в частности в авиационном применении, представляет собой шину постоянного тока высокого напряжения (HVDC) и в устойчивом состоянии напряжение может принимать значения, например, между 650 В и 750 В. Но при этом запуск производится при низком напряжении от порядка нескольких вольт до приблизительно десяти вольт. Требования безопасности предполагают, что устройство, использующее постоянное напряжение, не имеет проблем при включении, выключении или даже при переходных процессах.

Пользовательское устройство, подключенное к источнику напряжения, может представлять собой инвертор. Условия работы при высоких напряжениях и высокой температуре порядка 200°С привели к использованию в этом инверторе компонентов ключа на основе карбида кремния, так как JFET-транзисторы являются нормально замкнутыми компонентами, то есть находятся в проводящем состоянии при отсутствии напряжения смещения.

Довольно часто JFET-ключ инвертора подсоединен к цепи запуска, соединенной последовательно между напряжением питания и его затвором. Как описано в патентной заявке FR 2937811, цепь запуска имеет два каскада и включает в себя линейный импульсный понижающий стабилизатор и инвертор напряжения, причем это соединение используется с целью защиты нормально замкнутого JFET-ключа во время пропадания управляющих напряжений ключа.

Один недостаток этого решения состоит в том, что он является диссипативным, что может создавать тепловые проблемы из-за рассеивания мощности на понижающем стабилизаторе. Это становится критическим при высоких температурах.

В другой однокаскадной цепи запуска, содержащей преобразователь, который преобразует одно постоянное напряжение в другое отрицательное постоянное напряжение с помощью стабилитрона, соединенного последовательно с резистором, рассеивание мощности будет ниже, если резистор имеет очень высокое значение сопротивления. Например, для напряжения на шине 750 В и рассеиваемой мощности на стабилитроне 50 мВт при 200°С последовательное сопротивление равно 76 кОм.

Для операций с напряжением на шину, которое уменьшается по отношению к номинальному значению, например порядка около ста вольт, высокое сопротивление не обеспечивает больше смещение стабилитрона. В этом случае, минимальное напряжение запуска выше, чем напряжение, которое вырабатывается с помощью понижающего стабилизатора и инвертора напряжения.

Кроме того, время отклика цепи запуска увеличивается, поскольку постоянная времени, образованная последовательно соединенными резистором и неизбежным развязывающим конденсатором, является большой, порядка около десяти миллисекунд. На практике было бы желательно, чтобы это время отклика было очень маленьким, например, меньше приблизительно ста микросекунд.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы выполнить преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение, который можно использовать для управления JFET-транзисторами, в частности инверторами, которые не имеют вышеуказанных ограничений и трудностей.

Одна задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы выполнить преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение, который выдерживает напряжение, подаваемое источником питания, который имеет очень большой динамический диапазон по напряжению. Очень большой динамический диапазон по напряжению означает, что соотношение минимального напряжения, прикладываемого к его входу для подачи желательного выходного напряжения, к максимальному входному напряжению, которое можно выдерживать без повреждения, составляет выше чем два, например 100.

Кроме того, преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение не рассеивает большое количество тепла, что позволяет избежать тепловых проблем, обсужденных выше.

Другая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы выполнить преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение, который позволяет вырабатывать выходное напряжение для схемы пользователя из постоянного напряжения, с большой вероятностью изменяющегося между несколькими вольтами и несколькими сотнями вольт или даже одним или несколькими киловольтами, например во время переходных процессов включения питания, запуска и т.д.

Другая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы выполнить преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение, который может работать при высокой температуре порядка по меньшей мере 200°С.

Еще одна задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы выполнить преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение, который обеспечивает защиту нормально замкнутых полупроводниковых компонентов ключа, в частности в силовых инверторах, непосредственно подключенных к источнику напряжения или шине перераспределения.

Чтобы решить эту задачу, в настоящем изобретении предложено использовать основной ключ, образованный нормально замкнутым элементом ключа и нормально разомкнутым элементом ключа, которые соединены последовательно, и основную пиковую детекторную цепь.

Более конкретно, настоящее изобретение относится к преобразователю постоянного напряжения в постоянное напряжение, включающему в себя основной ключ, образованный нормально замкнутым элементом ключа, соединенным последовательно с нормально разомкнутым элементом ключа, снабженным цепью управления. Первый узел является общим для обоих элементов ключа. Нагрузка соединена последовательно с основным ключом, при этом предполагается, что основной ключ и нагрузка будут соединены с выводами источника постоянного напряжения. Основная пиковая детекторная цепь соединена на входе с основным ключом и на выходе с цепью управления нормально разомкнутого элемента ключа.

Основная пиковая детекторная цепь преимущественно включает в себя однонаправленный токовый ключ, соединенный последовательно с хранилищем электрической энергии, при этом однонаправленный токовый ключ соединен между первым узлом и хранилищем электрической энергии. Предполагается, что в замкнутом состоянии, когда происходит зарядка хранилища электрической энергии, хранилище электрической энергии подает основное полезное напряжение тогда, когда однонаправленный токовый ключ разомкнут, причем основное полезное напряжение отбирается на втором узле между хранилищем электрической энергии и однонаправленным токовым ключом, при этом второй узел соединен с цепью управления нормально разомкнутого элемента ключа.

Однонаправленный токовый ключ может представлять собой диод, или транзистор, или компоновку из нескольких транзисторов, включенных последовательно или параллельно. Однонаправленный токовый ключ соединен с первым общим узлом между нормально замкнутым элементом ключа и нормально разомкнутым элементом ключа, которые образуют основной ключ.

Хранилище электрической энергии может представлять собой конденсатор, аккумуляторную батарею или суперконденсатор.

Предполагается, что нормально замкнутый элемент ключа будет соединен с одним из выводов источника напряжения через нагрузку, при этом предполагается, что нормально разомкнутый элемент ключа будет подсоединен к другому выводу источника напряжения, при этом оба элемента ключа имеют общий узел.

В одном варианте осуществления основную пиковую детекторную цепь можно соединить параллельно нормально разомкнутому элементу ключа.

Нормально замкнутый элемент ключа может представлять собой транзистор, работающий в режиме обогащения, такой как карбидокремниевый JFET-транзистор, нормально разомкнутый транзистор, управляемый таким образом, чтобы он работал как нормально замкнутый транзистор, или ограничитель тока, имеющий запрещающий вход, возбуждаемый вспомогательным напряжением, таким как выходное напряжение или напряжение на выводах нормально разомкнутого элемента ключа.

Нормально разомкнутый элемент ключа может представлять собой полевой МОП-транзистор (MOSFET), биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), плоскостной биполярный транзистор, например, из карбида кремния, или любой другой тип ключа с или без полупроводника.

Нагрузка может быть резистивной или индуктивной.

Основное полезное напряжение может представлять собой напряжение на выходе преобразователя постоянного напряжения в постоянное напряжение.

В одном варианте осуществления можно получить выходное напряжение, электрически изолированное от источника постоянного напряжения, при этом нагрузкой является трансформатор с первичной обмоткой и по меньшей мере одной вторичной обмоткой.

В этом варианте осуществления основная пиковая детекторная цепь может дополнительно включать в себя дополнительный однонаправленный токовый ключ, соединенный с одной стороны с узлом между хранилищем электрической энергии и однонаправленным токовым ключом и с другой стороны со вторичной обмоткой трансформатора.

Трансформатор может включать в себя по меньшей мере одну вторичную обмотку, к выводам которой подсоединена цепь выпрямителя, при этом выходное напряжение отбирается на выводах цепи выпрямителя.

Можно предусмотреть, чтобы нормально замкнутый элемент ключа был снабжен цепью управления, подсоединенной к выходу основной пиковой детекторной цепи или к одному концу основного ключа, который будет подсоединен к источнику постоянного напряжения, или, когда нагрузкой будет трансформатор, который включает в себя по меньшей мере одну вторичную обмотку, к выводам которой подсоединена цепь выпрямителя, и эта цепь выпрямителя будет включать в себя хранилище электрической энергии, к узлу между вторичной обмоткой и хранилищем электрической энергии цепи выпрямителя.

В другом варианте осуществления нормально замкнутый элемент ключа может иметь управляющий вывод, соединенный со вторым концом основного ключа.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Смысл настоящего изобретения будет более понятым после прочтения описания примерных вариантов осуществления, приведенных исключительно для целей указания, а не ограничения, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

на фиг. 1 показана блок-схема последовательности операций примерного первого варианта преобразователя постоянного напряжения в постоянное напряжение согласно изобретению;

на фиг. 2А-2Е показано соответственно изменение во времени напряжения источника напряжения сразу после его запуска, управляющего напряжения на нормально разомкнутом элементе ключа, переключающего напряжения на нормально разомкнутом элементе ключа, переключающее напряжение на нормально замкнутом элементе ключа и управляющего напряжения на нормально замкнутом элементе ключа;

на фиг. 3 показан еще один вариант осуществления преобразователя постоянного напряжения в постоянное напряжение согласно изобретению;

фиг. 4 иллюстрирует другой примерный вариант осуществления преобразователя постоянного напряжения в постоянное напряжение согласно изобретению;

на фиг. 5 показан еще один примерный вариант осуществления преобразователя постоянного напряжения в постоянное напряжение согласно изобретению.

Следует понимать, что различные варианты осуществления преобразователя постоянного напряжения не являются обязательно исключающими друг друга.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фиг. 1 иллюстрирует первый пример преобразователя постоянного напряжения в постоянное напряжение согласно изобретению. Данный преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение представляет собой понижающий преобразователь напряжения.

Данный преобразователь включает в себя основной ключ К, имеющий два оконечных вывода C и D, предназначенных для подсоединения к источнику Е постоянного напряжения, причем связь с первым выводом C выполнена через нагрузку Z1, через которую протекает электрический ток из источника Е постоянного напряжения. Источник Е постоянного напряжения включает в себя положительный вывод "+", который будет подсоединяться к нагрузке Z1, и отрицательный вывод "-", который будет подсоединяться ко второму выводу D основного ключа К. К положительному выводу прикладывается напряжение Vin, и к отрицательному выводу прикладывается опорное напряжение Vref.

Основной ключ K включает в себя два элемента J1, M1 ключа различного характера, соединенные последовательно. Они соединены друг с другом в точке А.

Элемент J1 ключа представляет собой нормально замкнутый ключ, тогда как элемент М1 ключа представляет собой нормально разомкнутый ключ. Предполагается, что нормально замкнутый элемент J1 ключа будет подсоединяться к положительному выводу источника Е постоянного напряжения через нагрузку Z1, и нормально разомкнутый элемент М1 ключа будет подсоединяться к отрицательному выводу источника напряжения E.

Нормально разомкнутый элемент М1 ключа имеет цепь G2 управления для управления его включенным или выключенным состоянием. Нормально замкнутый элемент J1 ключа можно также обеспечить своей собственной цепь G1 управления.

Нормально замкнутый элемент J1 ключа представляет собой высоковольтное реле. Нормально разомкнутый элемент M1 ключа может представлять собой низковольтный ключ.

В отношении высоковольтного элемента ключа и низковольтного элемента ключа подразумевается, что высоковольтный элемент ключа выдерживает более высокие напряжения по сравнению с низковольтным элементом ключа.

В приложении, где источником постоянного напряжения является шина HVDC, высоковольтный элемент J1 ключа практически выдерживает напряжение шины HVDC, тогда как низковольтный элемент М1 ключа выдерживает только несколько десятков вольт.

Нормально замкнутый элемент J1 ключа можно выполнить на основе транзистора, работающего в режиме обогащения, например карбидокремниевый JFET, имеющий обычно сток d, исток s и затвор g. Такой транзистор имеет переключающее напряжение между своим стоком и своим истоком, по существу равное нулю, когда его управляющее напряжение Vds_J1 между стоком и истоком равно по существу нулю. Такой элемент ключа типа JFET имеет преимущество, связанное с очень быстрым переключением, более низкими потерями проводимости во включенном состоянии по сравнению с другими силовыми электронными ключами, управляемыми по напряжению, и способностью выдерживать более высокие температуры и напряжения и с наличием более низкого удельного сопротивления по сравнению с этими силовыми электронными ключами, управляемыми по напряжению. Исток s соединен с положительным выводом источника Е электропитания через нагрузку Z1, сток d соединен с нормально разомкнутым элементом M1 ключа, и затвор g соединен в этом первом примере со вторым выводом D основного ключа К. При этом следует учитывать, что нормально замкнутый элемент J1 ключа снабжен своей собственной цепью G1 управления, как это будет показано в дальнейшем.

Альтернативно, нормально замкнутый элемент J1 ключа можно выполнить на основе управляемого нормально замкнутого транзистора так, чтобы он работал как нормально замкнутый ключ. Нормально замкнутый элемент J1 ключа можно также выполнить на основе ограничителя тока, как показано на фиг.5.

Нормально разомкнутый элемент M1 ключа можно выполнить на основе полевого МОП-транзистора, например кремния или кремния на изоляторе (SOI). Он традиционно имеет сток d, соединенный с нормально замкнутым элементом J1 ключа, исток s, соединенный с отрицательным выводом источника Е постоянного напряжения, и затвор g, соединенный со своей цепью G2 управления. Альтернативно, его можно выполнить из плоскостного биполярного транзистора BJT, например из карбида кремния, как показано на фиг. 3, из IGBT или любого другого типа ключа, управляемого соответствующим образом, с или без полупроводника.

Преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение дополнительно включает в себя основную пиковую детекторную цепь DC, образованную однонаправленным токовым ключом D1 и хранилищем C1 электрической энергии, которые соединены последовательно.

Основная пиковая детекторная цепь DC соединена параллельно нормально разомкнутому элементу M1 ключа.

Таким образом, основная пиковая детекторная цепь DC соединена со вторым выводом D основного ключа K и с общим узлом A, которые являются общими для обоих ключей J1, M1 основного ключа K.

Однонаправленный токовый ключ D1 подсоединен между узлом А и хранилищем C1 электрической энергии. Однонаправленный токовый ключ D1 можно выполнить из диода или с помощью одного или нескольких транзисторов, причем эти транзисторы размещаются последовательно или параллельно в случае, когда их много. На фиг. 3 этот транзистор представляет собой JFET-транзистор. Сток JFET-транзистора соединен с узлом A, его затвор соединен со вторым выводом D основного ключа К и его исток соединен с хранилищем С1 электрической энергии. Альтернативно, однонаправленный токовый ключ D1 пиковой детекторной цепи можно выполнить с помощью плоскостного биполярного транзистора BJT, полевого МОП-транзистора или нескольких полевых МОП-транзисторов, соединенных последовательно или параллельно, или любого другого типа транзисторов.

В примере, показанном на фиг. 1, хранилище C1 электрической энергии включено между однонаправленным токовым ключом D1 и вторым выводом D основного ключа К. Общий узел между однонаправленным токовым ключом D1 и хранилищем C1 электрической энергии, обозначенной B, соединен с входом цепи G2 управления нормально разомкнутого элемента M1 ключа. В этом примере выход преобразователя постоянного напряжения в постоянное напряжение выполнен в этом общем узле B. Постоянное напряжение, подаваемое с помощью основной пиковой детекторной цепи DC, называется основным полезным напряжением Vp и поддерживается в общем узле B.

Хранилище C1 электрической энергии предназначено для хранения электрической энергии, когда однонаправленный токовый ключ D1 замкнут, и подачи этой энергии в виде основного полезного напряжения Vp, когда однонаправленный токовый ключ D1 разомкнут. Хранилище С1 электрической энергии можно выполнить из конденсатора, аккумуляторной батареи или суперконденсатора.

На фиг. 2А-2Е показаны аспекты форм сигналов на различных стадиях преобразователя постоянного напряжения в постоянное напряжение согласно настоящему изобретению, причем этот преобразователь соответствует преобразователю, показанному на фиг. 1, с JFET-транзистором в качестве нормально замкнутого элемента J1 ключа и полевым МОП-транзистором в качестве нормально разомкнутого элемента M1 ключа.

На фиг. 2А показано изменение во времени входного напряжения Vin преобразователя постоянного напряжения в постоянное напряжение согласно изобретению. Это напряжение представляет собой напряжение, подаваемое с помощью источника Е постоянного напряжения. В авиационных приложениях это напряжение будет представлять собой напряжение, подаваемое с помощью шины постоянного тока высокого напряжения (HVDC). После включения источника питания напряжение возрастает во время фазы запуска до тех пор, пока оно не достигнет постоянного значения в устойчивом состоянии.

На фиг. 2В показан аспект, в зависимости от времени, управляющего напряжения Vgs_M1 затвор-исток нормально разомкнутого элемента M1 ключа.

На фиг. 2C показан аспект, в зависимости от времени, напряжения Vds_M1, переключаемого между стоком и истоком нормально разомкнутого элемента M1 ключа.

На фиг. 2D показан аспект, в зависимости от времени, напряжения Vds_J1, переключаемого между стоком и истоком нормально замкнутого элемента J1 ключа.

На фиг. 2E показан аспект, в зависимости от времени, управляющего напряжения Vgs_J1 затвор-сток нормально разомкнутого элемента J1 ключа.

После запуска источника Е постоянного напряжения, в момент t0, напряжение Vin линейно возрастает до тех пор, пока не достигнет максимального значения в устойчивом состоянии в момент времени t3.

Нормально замкнутый элемент J1 ключа включается, и напряжение Vds_J1, переключаемое между его стоком и его истоком, является постоянным и равным нулю.

Нормально разомкнутый элемент М1 ключа выключается, и напряжение Vds_M1, переключаемое между его стоком и его истоком, увеличивается таким же образом, как и напряжение Vin, и однонаправленный токовый ключ D1 становится проводящим, что приводит к зарядке хранилища C1 электрической энергии до напряжения Vds_M1. Основное полезное напряжение Vp, подаваемое с помощью основной пиковой детекторной цепи, которая обеспечивает питанием цепь G2 управления нормально разомкнутого элемента M1 ключа, увеличивается. Так как исток нормально замкнутого элемента J1 ключа соединен со стоком нормально разомкнутого транзистора M1 в узле А, управляющее напряжение Vgs_J1 затвор-исток нормально замкнутого элемента J1 ключа увеличивается в отрицательную сторону, что приводит, в момент времени t1, следующий за моментом времени t0, к выключению нормально замкнутого элемента J1 ключа. Этот момент времени Т1 находится перед моментом времени Т3, когда источник Е напряжения переключается в устойчивое состояние. Напряжение Vds_J1, переключаемое между его стоком и его истоком, начинает увеличиваться таким же образом, как и напряжение Vin, но с задержкой относительно включения источника Е напряжения.

Достаточное приложение основного полезного напряжения Vp к цепи G2 управления, например порядка нескольких вольт, например, 2-4 В, приводит к переключению нормально разомкнутого элемента M1 ключа во включенное состояние благодаря вмешательству цепи G2 управления в момент времени t2, следующий после момента времени t1, но перед моментом времени t3.

В этот момент t2 напряжение Vds_M1, переключаемое между стоком и истоком, нормально разомкнутого элемента М1 ключа становится равным нулю, однонаправленный токовый ключ D1 открывается и нормально замкнутый элемент J1 ключа снова переходит во включенное состояние. Основная пиковая детекторная цепь DC обеспечивает подачу основного полезного напряжения Vp, необходимого для удержания его во включенном состоянии, на цепь G2 управления нормально разомкнутого элемента M1 ключа.

Хранилище С1 электрической энергии разряжается, но не полностью, при этом изменение напряжения на его выходах зависит от нагрузки, которая будет подключаться к цепи G2 управления. Управляющее напряжение Vgs_M1 затвор-исток нормально разомкнутого элемента М1 ключа становится равным нулю, и нормально разомкнутый элемент М1 ключа снова возвращается в выключенное состояние в момент времени t4, который следует за моментом t3. В тот же самый момент времени выключается нормально замкнутый элемент J1 ключа. Переключающее напряжение Vds_M1 сток-исток нормально разомкнутого элемента М1 ключа начинает снова возрастать. То же самое справедливо для переключающего напряжения Vds_J1 сток-исток нормально замкнутого элемента J1 ключа.

В этот момент времени t4 однонаправленный токовый ключ D1 закрывается, и хранилище С1 электрической энергии заряжается при переключающем напряжении Vds_M1 сток-исток.

Таким образом, нормально разомкнутый элемент М1 ключа включается между моментами времени t2 и t4 и затем выключается между моментами времени t4 и t5. Это циклическое явление повторяется при каждом периоде T отсечки преобразователя постоянного напряжения в постоянное напряжение.

Основное полезное напряжение Vp, подаваемое с помощью преобразователя постоянного напряжения в постоянное напряжение на выводах хранилища С1 электрической энергии, равно напряжению отсечки нормально замкнутого элемента J1 ключа.

Среднее значение напряжения на выводах нагрузки Z1 равняется напряжению Vin, умноженному на коэффициент заполнения α преобразователя, то есть отношение между продолжительностью нахождения во включенном состоянии нормально разомкнутого элемента M1 ключа и периодом T отсечки преобразователя постоянного напряжения в постоянное напряжение. Напряжение на выводах нагрузки Z1 представляет собой напряжение прямоугольной формы, изменяющееся от значения напряжения Vref до значения напряжения Vin в устойчивом состоянии.

Таким образом, преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение согласно изобретению запускается при очень низком напряжении источника Е постоянного напряжения порядка нескольких вольт, тогда как источник Е напряжения имеет динамический диапазон по напряжению порядка нескольких сотен вольт или даже более.

Напряжение при запуске преобразователя постоянного напряжения в постоянное напряжение соответствует порогу включения нормально разомкнутого элемента M1 ключа и порогу активизации цепи G2 управления нормально разомкнутого элемента M1 ключа. Однако один из важных аспектов изобретения состоит в возможности получения напряжения на выводах хранилища C1 электрической энергии сразу после того, как входное напряжение Vin будет больше нуля, то есть с того момента времени, когда после включения напряжение Е на шине постоянного напряжения начинает увеличиваться от нуля. Если однонаправленный токовый ключ D1 представляет собой выпрямительное устройство без срабатывания по порогу, которое имеет нормально замкнутый транзистор, например, показанный на фиг. 3, хранилище С1 электрической энергии начинает заряжаться сразу после того, как только напряжение Е становится отличным от нуля.

Преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение согласно настоящему изобретению можно использовать, например, для питания цепей управления нормально замкнутых электронных компонентов инвертора, но это не является обязательным условием. В целом, его можно использовать для питания цепей управления, цепей защиты или любых цепей, питаемых от сети питания постоянного напряжения.

Этот преобразователь пригоден для приложений, связанных с высокими температурами, так как оба элемента J1 ключа, M1, которые входят в его состав, имеют высокую температурную версию, как и однонаправленный токовый ключ D1, что касается хранилища C1 электрической энергии, то она может представлять собой керамический конденсатор NP0.

В примере, показанном на фиг. 1, нагрузка Z1 может представлять собой паразитные элементы. Ей может быть индуктор, который показан на фиг. 3. Далее представленный преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение будет упоминаться как повышающий преобразователь или даже как параллельный прерыватель, а не как понижающий преобразователь. В этом случае нагрузка Z1 представляет собой индуктивный накопитель, соединенный с основным ключом К на своем первом выводе C. Цепь DC' выпрямителя соединена параллельно основному ключу К. Она включает в себя однонаправленный токовый ключ Di, соединенный последовательно с хранилищем Cboost электрической энергии. Цепь DC' выпрямителя подсоединена на стороне однонаправленного токового ключа Di к первому выводу С основного ключа K и на стороне хранилища Cboost электрической энергии ко второму выводу D основного ключа K. Однонаправленный токовый ключ Di и хранилище Cboost электрической энергии имеют общий узел, который обозначен B', и выходное напряжение Vout, которое выше, чем Vin, имеется на узле B'.

Индуктор может представлять собой, например, индуктивность рассеяния мощного трансформатора с разрезанным магнитопроводом. Нормально замкнутый элемент J1 ключа будет рассеивать энергию, запасенную в индукторе Z1, если он представляет собой JFET-транзистор, и на его затвор подается опорное напряжение Vref, как показано на фиг. 1. Нормально замкнутый элемент J1 ключа может работать в режиме лавинного пробоя, так как ответвление с индуктором Z1 и основным ключом К открывается с помощью элементов J1 и M1 ключа.

Однако эта конфигурация не показана на фиг. 3. Нормально замкнутый элемент J1 ключа соединен со своей собственной цепью G1 управления, и на последнее подается основное полезное напряжение Vp, вырабатываемое основной пиковой детекторной цепью DC. Таким образом, управляющее напряжение затвор-исток нормально замкнутого элемента J1 ключа выше его порогового напряжения.

Затем хранилище С1 электрической энергии будет заряжаться от энергии, запасенной в индукторе Z1, когда нормально замкнутый элемент J1 ключа включен и нормально разомкнутый элемент М1 ключа выключен.

Однонаправленный токовый ключ D1 можно выполнить с помощью по меньшей мере одного полевого МОП-транзистора, используемого, например, при синхронном выпрямлении. Цепь G2 управления нормально разомкнутого элемента M1 ключа можно затем объединить с генератором сигналов с переменной длительностью импульсов. Цепь G1 управления нормально замкнутого элемента J1 ключа можно объединить с инвертором напряжения, если необходимо выключить нормально замкнутый элемент J1 ключа.

Фиг. 4 иллюстрирует другой пример преобразователя постоянного напряжения в постоянное напряжение согласно изобретению. Теперь нагрузкой Z1 является трансформатор, и последний традиционно включает в себя первичную обмотку ep, подсоединенную между положительным выводом источника Е постоянного напряжения и узлом C. Он также включает в себя по меньшей мере одну вторичную обмотку es1. Основная пиковая детекторная цепь DC включает в себя переключающий однонаправленный токовый ключ D1, соединенный последовательно с хранилищем С1 электрической энергии, который включен, как и в двух предыдущих примерах, показанных на фиг. 1 и 3. Однако основная пиковая детекторная цепь DC дополнительно включает в себя дополнительный однонаправленный токовый ключ Dj, соединенный с одной стороны с узлом B между хранилищем C1 электрической энергии и однонаправленным токовым ключом D1 и на другой стороне с первым концом вторичной обмотки es1 трансформатора Z1. Другой конец вторичной обмотки es1 подсоединен ко второму выводу D2 основного ключа К. Дополнительный однонаправленный токовый ключ Dj может быть такого же типа, как и однонаправленный токовый ключ D1. Однонаправленный токовый ключ D1 гарантирует запуск цепи G2 управления нормально разомкнутого элемента М1 ключа, причем напряжение Vin остается по-прежнему низким и возрастающим. Затем однонаправленный токовый ключ D1 выключается, и вторичная обмотка es1 и дополнительный однонаправленный токовый ключ Dj затем обеспечивают питание цепи G2 управления нормально разомкнутого элемента M1 ключа.

На цепь управления G1 нормально замкнутого элемента J1 ключа подается напряжение Vref, то есть второй вывод D основного ключа K должен быть соединен с источником Е постоянного напряжения.

Это соединение обеспечивает повышенную эффективность за счет использования системы с отсечкой, и запуск осуществляется при более низких напряжениях, чем в предыдущем примере. Она позволяет запускать преобразователь даже при очень низком входном напряжении.

Если элементом J1 ключа является JFET-транзистор, то он никогда не будет работать в линейной зоне, и рассеиваемая мощность будет снижена.

В примере, показанном на фиг. 4, трансформатор Z1 дополнительно включает в себя дополнительную вторичную обмотку es2. Цепь DC2 выпрямителя соединена с выводами дополнительной вторичной обмотки es2. Эта цепь DC2 выпрямителя вырабатывает выходное постоянное напряжение Vout, которое гальванически развязано от источника Е постоянного напряжения.

Цепь DC2 выпрямителя может быть того же типа, как и основная пиковая детекторная цепь DC, показанная примерах на фиг. 1 и 3. Цепь DC2 выпрямителя образована однонаправленным токовым ключом D2 и хранилищем C2 электрической энергии, которые соединены последовательно. Можно предусмотреть и другие дополнительные вторичные обмотки и несколько других цепей выпрямителя для того, чтобы получить преимущество от нескольких других выходных постоянных напряжений с гальванической развязкой от источника Е постоянного напряжения.

Для упрощения потенциал Vp и основное полезное напряжение Vp имеют одинаковое обозначение, что говорит о том, что Vref равно нулю. Конечно, Vref может быть и не равно нулю, но это не создает никаких проблем для понимания специалистам в данной области техники.

Цепь, показанная на фиг. 4, приводит к запуску преобразователя постоянного напряжения в постоянное напряжение при низком напряжении Vin.

Фиг. 5 иллюстрирует еще один пример преобразователя постоянного напряжения в постоянное напряжение согласно изобретению. На этой фиг. 5 нагрузкой по-прежнему является трансформатор с двумя вторичными элементами es1, es2. Каждый из них подсоединен к цепи DC1, DC2 выпрямителя. В этом примере эти цепи DC1, DC2 выпрямителя аналогичны тем, которые упомянуты как DC2 на фиг. 4. Однонаправленный токовый ключ цепи DC1 выпрямителя упоминается как D1', и хранилище электрической энергии упоминается как С1'.

Общий узел между однонаправленным токовым ключом D1' и хранилищем C1' электрической энергии цепи DC1 выпрямителя, которая упоминается как E, соединен с общим узлом А между нормально замкнутым элементом J1 ключа и нормально разомкнутым элементом M1 ключа основного ключа К. Хранилище C1' электрической энергии имеет один из своих выводов, подсоединенный к узлу Е, и другой, подсоединенный на входе цепи управления G1 нормально замкнутого элемента J1 ключа. Этот другой вывод вынесен на потенциал Vneg, который является отрицательным по отношению к потенциалу, присутствующему на общем узле А между нормально замкнутым элементом J1 ключа и нормально разомкнутым элементом M1 ключа.

В этом примере основная пиковая детекторная цепь DC аналогична той, которая показана на фиг. 1 и 3. Питание с выхода основной пиковой детекторной цепи DC подается на цепь G2 управления нормально разомкнутого элемента M1 ключа. Напряжение Vp является положительным по отношению к напряжению Vref.

Более того, нормально замкнутый элемент J1 ключа представляет собой ограничитель тока, который имеет запрещающий вход, возбуждаемый Vneg.

Как показано на фиг. 4, цепь DC2 выпрямителя вырабатывает выходное постоянное напряжение Vout, которое гальванически развязано от источника Е постоянного напряжения. Это напряжение Vout может обеспечивать питанием внешнюю цепь (не показана), например цепь управления затвором силового JFET транзистора.

Основное преимущество преобразователя постоянного напряжения в постоянное напряжение согласно изобретению состоит в том, чтобы иметь линейную работу при очень низких напряжениях источника напряжения и работу путем отсечки высоких напряжений. Это приводит к пониженной потребляемой мощности и, следовательно, к пониженному тепловому рассеянию.

Другое преимущество преобразователя постоянного напряжения в постоянное напряжение состоит в том, что он включает в себя меньшее количество высоковольтных пассивных компонентов, чем цепь запуска, описанная в вышеупомянутой заявке на патент.

Конечно, некоторые характеристики, представленные в этих примерах вариантов осуществления преобразователя постоянного напряжения в постоянное напряжение можно объединить друг с другом, не выходя за рамки объема изобретения.

1. Преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение, включающий в себя основной ключ (K), образованный нормально замкнутым элементом (J1) ключа, соединенным последовательно с нормально разомкнутым элементом (M1) ключа, снабженным цепью (G2) управления, первый узел (A), являющийся общим для обоих элементов (J1, M1) ключа, нагрузку (Z1) типа трансформатора с первичной обмоткой (ep) и по меньшей мере одной вторичной обмоткой (es1, es2), причем первичная обмотка (ep) соединена последовательно с основным ключом (K), причем основной ключ и первичная обмотка (ep) предназначены для подсоединения к выводам источника (Е) постоянного напряжения, основную пиковую детекторную цепь (DC), подсоединенную на входе к основному ключу и на выходе к цепи (G2) управления нормально разомкнутого элемента (M1) ключа, где основная пиковая детекторная цепь (DC) включает в себя однонаправленный токовый ключ (D1), соединенный последовательно с хранилищем (С1) электрической энергии, причем однонаправленный токовый ключ подсоединен между первым узлом (A) и хранилищем (С) электрической энергии, при этом однонаправленный токовый ключ (D1) предназначен, когда замкнут, для зарядки хранилища (С1) электрической энергии, при этом хранилище (C1) электрической энергии подает основное полезное напряжение (Vp), когда однонаправленный токовый ключ (D1) разомкнут, причем основное полезное напряжение (Vp) отбирается на втором узле (B) между хранилищем (С1) электрической энергии и однонаправленным токовым ключом (D1), отличающийся тем, что второй узел (В) соединен с входом цепи (G2) управления нормально разомкнутого элемента (M1) ключа, и тем, что основная пиковая детекторная цепь (DC) дополнительно включает в себя дополнительный однонаправленный токовый ключ (Dj), подсоединенный с одной стороны к узлу (В) между хранилищем (С1) электрической энергии и однонаправленным токовым ключом (D1) и с другой стороны ко вторичной обмотке (es1).

2. Преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение по п. 1, в котором однонаправленное токовое устройство (D1) представляет собой диод, или транзистор, или компоновку из нескольких транзисторов, включенных последовательно или параллельно.

3. Преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение по одному из пп. 1 или 2, в котором хранилище (С1) электрической энергии представляет собой конденсатор, аккумуляторную батарею или суперконденсатор.

4. Преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение по п. 1, в котором основная пиковая детекторная цепь (DC) соединена параллельно нормально разомкнутому элементу (M1) ключа.

5. Преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение по п. 1, в котором нормально замкнутый элемент (J1) ключа представляет собой транзистор, работающий в режиме обогащения, или нормально разомкнутый транзистор, управляемый таким образом, чтобы работать в качестве нормально замкнутого транзистора или ограничителя тока.

6. Преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение по п. 1, в котором нормально разомкнутый элемент (M1) ключа представляет собой полевой МОП-транзистор, или биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), или плоскостной биполярный транзистор.

7. Преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение по п. 1, в котором трансформатор включает в себя по меньшей мере одну вторичную обмотку (es2), к выводам которой подсоединена цепь (DC2) выпрямителя.

8. Преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение по п. 1, в котором нормально замкнутый элемент (J1) ключа снабжен цепью (G1) управления, подсоединенной на одном конце основного ключа (K), который должен быть подсоединен к источнику (Е) постоянного напряжения.

9. Преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение по п. 1, в котором основной ключ (К) имеет первый конец (C), подсоединенный к нагрузке (Z1), и второй конец (D), который должен быть подсоединен к источнику (Е) постоянного напряжения, причем нормально замкнутый элемент (J1) ключа имеет управляющий вывод, подсоединенный ко второму концу (D) основного ключа (K).