преобразователь напряжения

Формула изобретения

Преобразователь напряжения, содержащий инверторный блок с инвертором на силовых транзисторах, соединенных попарно последовательно, к силовым электродам каждого из которых параллельно подключен резонансный конденсатор, а также соединенный с инверторным блоком электромагнитный узел с трансформатором, выполненным с входной обмоткой и выходными обмотками, связанными через выпрямитель и фильтр с выходными зажимами, отличающийся тем, что инверторный блок снабжен вторым аналогичным инвертором и вспомогательной индуктивностью, электромагнитный узел - вторым аналогичным трансформатором, причем оба инвертора выполнены преимущественно по полумостовой схеме, параллельно соединены по входам питания и последовательно - по выходам переменного тока путем встречного подключения к входным обмоткам своих трансформаторов и также образования двух пар выходных обмоток, последовательно-согласно соединенных между собой и противофазно подключенных к своему диоду выпрямителя и к фильтру, причем магнитопроводы обоих трансформаторов выполнены с зазором, а точки соединения силовых транзисторов обоих инверторов связаны между собой через вспомогательную индуктивность.

Описание изобретения к патенту

Устройство относится к преобразовательной технике и может быть использовано преимущественно в источниках питания для электросварки.

Известен преобразователь [Патент РФ №2190926, Н03К 17/082, Н02М 7/538, опубл. 20.04.2005, Бюл. №11], выполненный по двухтактной схеме с активно-индуктивной нагрузкой, причем в устройство введены замыкающие конденсаторы, включенные параллельно силовым транзисторам, и резисторы обратной связи, включенные между коллекторами или стоками силовых транзистора и блокирующими входами формирователей управляющих сигналов этих транзисторов. Недостатки устройства - завышенные динамические потери в силовых транзисторах, обусловленные их инерционностью при включении и отсечке коллекторного тока и перезарядом замыкающих конденсаторов, а также значительные потери на резисторах обратной связи в силовой цепи коммутации.

Известен двухтактный преобразователь постоянного напряжения [А.с. СССР 1796082, Н02М 3/335, опубл. 15.02.93, Бюл. №6], содержащий полумостовой инвертор с плечом на двух управляемых ключах - в виде транзистора с последовательно подсоединенным диодом, электромагнитный узел из двух двухобмоточных дросселей, которые вместе с резонансным конденсатором образуют последовательный резонансный контур, причем вторичные обмотки двухобмоточных дросселей подключены к выходным зажимам преобразователя через выпрямительные диоды и фильтр. Указанные дроссели работают на протяжении полупериода поочередно, в первой части полупериода как трансформатор, передающий в нагрузку ток перезаряда резонансного конденсатора, а во второй части полупериода как дроссель, отдающий в нагрузку накопленную энергию в режиме обратного хода (размагничивания). В результате обеспечивается коммутация силовых транзисторов при нулевом токе, что снижает динамические потери. Недостатки устройства - необходимость введения дополнительного дросселя с двумя обмотками, ухудшающего массогабаритные показатели, увеличенная амплитуда тока через транзистор при резонансе, жесткие требования к величине частоты преобразования, так как отклонения периода коммутации нарушают требование равенства тока нулю в момент переключения транзистора.

Наиболее близким по технической сущности заявляемому устройству является преобразователь напряжения с резонансными компонентами для переключения при нулевом напряжении [Семейство фазосдвигающих резонансных контроллеров ИВП / Интегральные микросхемы: Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. Издание 2-е. - М.: ДОДЭКА, 2000, рис.18, с.256], выбранный в качестве прототипа. Это устройство содержит инверторный блок с инвертором, выполненным по мостовой схеме на силовых транзисторах, соединенных попарно последовательно, у каждого из которых к силовым электродам параллельно подключен резонансный конденсатор, и также электромагнитный узел из трансформатора с входной обмоткой, включенной к выходной цепи переменного тока инвертора через дополнительную индуктивность, а выводы выходных обмоток соединены через выпрямительные диоды и фильтр к выходным зажимам. Транзисторные ключи преобразователя работают практически без потерь на интервалах включения-выключения при неизменном токе нагрузки.

Недостатки устройства-прототипа - повышенный уровень динамических потерь в транзисторах инвертора в тех случаях, когда ток нагрузки преобразователя меняется медленно или импульсно от режима холостого хода до режима номинальной нагрузки или короткого замыкания, имеющих место в источниках питания для сварки. При малом токе нагрузки энергии, запасенной в дополнительной индуктивности, недостаточно для перезаряда резонансных конденсаторов, что нарушает условия мягкой коммутации транзисторов, а при большом - время перезаряда будет недопустимо длительным с уменьшением угла модуляции и снижением выходного напряжения.

Технический результат, реализуемый в предлагаемом преобразователе, - снижение динамических потерь в транзисторах путем обеспечения условий мягкой коммутации при изменении тока нагрузки.

Технический результат достигается тем, что преобразователь напряжения, содержащий инверторный блок с инвертором на силовых транзисторах, соединенных попарно последовательно, к силовым электродам каждого из которых параллельно подключен резонансный конденсатор, а также соединенный с инверторным блоком электромагнитный узел с трансформатором, выполненным с входной обмоткой и выходными обмотками, связанными через выпрямитель и фильтр с выходными зажимами, по отношению к прототипу дополнительно снабжен вторым аналогичным инвертором и вспомогательной индуктивностью в инверторном блоке, электромагнитный узел - вторым аналогичным трансформатором, причем оба инвертора выполнены преимущественно по полумостовой схеме, параллельно соединены по входам питания и последовательно - по выходам переменного тока путем встречного подключения к входным обмоткам своих трансформаторов и также образования двух пар выходных обмоток, последовательно-согласно соединенных между собой и противофазно подсоединенных к своему диоду выпрямителя и к фильтру, причем магнитопроводы обоих трансформаторов выполнены с зазором, а точки соединения силовых транзисторов обоих инверторов связаны между собой через вспомогательную индуктивность.

Указанная совокупность существенных признаков - инверторный блок снабжен вторым аналогичным инвертором и вспомогательной индуктивностью, электромагнитный узел - вторым аналогичным трансформатором, причем оба инвертора выполнены преимущественно по полумостовой схеме, параллельно соединены по входам питания и последовательно - по выходам переменного тока путем встречного подключения к входным обмоткам своих трансформаторов и также образования двух пар выходных обмоток, последовательно-согласно соединенных между собой и противофазно подсоединенных к своему диоду выпрямителя и к фильтру, причем магнитопроводы обоих трансформаторов выполнены с зазором, а точки соединения силовых транзисторов обоих инверторов связаны между собой через вспомогательную индуктивность, - является новой и в полном объеме неиспользовавшейся, что позволяет считать предлагаемое устройство соответствующим критерию охраноспособности «новизна».

Кроме того, совокупность указанных признаков позволяет получить новый результат, заключающийся в снижении динамических потерь в транзисторах за счет обеспечения их мягкой коммутации при изменении тока нагрузки преобразователя, что позволяет считать данное устройство соответствующим критерию охраноспособности «изобретательский уровень».

На фиг.1 приведена схема преобразователя напряжения со следующими обозначениями: инверторный блок 1; электромагнитный узел 2; выпрямитель и фильтр 3; первый и второй инверторы 11 и 12 и вспомогательная индуктивность 13 инверторного блока 1; силовые транзисторы 111, 112, силовые конденсаторы 113, 114, резонансные конденсаторы 115, 116 первого инвертора 11; силовые транзисторы 121, 122, силовые конденсаторы 123, 124, резонансные конденсаторы 125, 126 второго инвертора 12; трансформаторы 21, 22 электромагнитного узла 2; магнитопровод 211, входная обмотка 212, две выходные обмотки 213 первого трансформатора 21; магнитопровод 221, входная обмотка 222, две выходные обмотки 223 второго трансформатора 22; диоды 31, 32 и фильтр (индуктивность) 33 выпрямителя 3.

На фиг.2 изображена схема замещения первого трансформатора 21 (у второго 22 она аналогична) электромагнитного узла, где обозначены: входная обмотка 212, две выходные обмотки 213, индуктивность намагничивающего контура 216, индуктивность рассеяния 217. На фиг.3 представлен чертеж электромагнитного узла 2 со следующими обозначениями: первый 21 и второй 22 трансформаторы; магнитопровод 211, входная обмотка 212 с выводами 215, две выходные обмотки 213, зазор 214 магнитопровода 211 первого трансформатора 21; магнитопровод 221, входная обмотка 222 с выводами 225, две выходные обмотки 223, зазор 224 магнитопровода 221 второго трансформатора 22. Предлагается в одном из возможных вариантов пары выходных обмоток 213 и 223 выполнить конструктивно общими для трансформаторов 21 и 22 и проходящими через окна магнитопроводов 211, 221.

Преобразователь напряжения (фиг.1) содержит инверторный блок 1, включающий два инвертора 11 и 12, выполненных преимущественно по полумостовой схеме на силовых транзисторах 111, 112 и 121, 122 (показаны MOSFET-транзисторы с внутренними «паразитными» встречно включенными диодами), которые соединены попарно последовательно, и на попарно последовательно соединенных силовых конденсаторах 113, 114 и 123, 124. Параллельно каждому силовому транзистору 111, 112, 121, 122 подключены резонансные конденсаторы 115, 116 и 125, 126, в качестве которых при высокой частоте коммутации могут использоваться паразитные емкости встречных диодов и силовых транзисторов. К выходам переменного тока инверторов 11, 12 подключен электромагнитный узел 2, а к его выходу - выпрямитель с фильтром 3. Инверторы 11 и 12 соединены параллельно выводами питания и подключены к источнику питания U₁, а выходами переменного тока - последовательно встречно с суммированием выходных напряжений. Указанное последовательное встречное соединение организовано так. К точке соединения транзисторов 111, 112 первого инвертора 11 подключен конец входной обмотки 212, к точке соединения транзисторов 121, 122 второго инвертора 12 - начало входной обмотки 222, а к точкам соединения силовых конденсаторов 113, 114 и 123, 124 - начало и конец указанных входных обмоток 212 и 222 соответственно. Выходные обмотки 213 и 223 образуют пары с последовательно-согласным соединением. Эти пары обмоток 213 и 223 подключены противофазно, то есть началом - к диоду 32, концом - к диоду 31 и концом и началом - к индуктивности 33. Точки соединения транзисторов 111, 112 и 121, 122 связаны между собой через вспомогательную индуктивность 13. Электромагнитный узел 2 (фиг.2 и 3) выполнен с двумя трансформаторами 21 и 22, имеющими планарную (плоскую) конструкцию. Их магнитопроводы 211 и 221 изготовлены из ферромагнетика (для высокой частоты преобразования целесообразно применять ферриты). В качестве возможного варианта предлагается выходные обмотки 213 и 223 пропустить сквозь окна обоих магнитопроводов 211 и 221, что делает их общими для трансформаторов 21 и 22 и упрощает технологию изготовления таких узлов. При реализации мягкой коммутации транзисторов используются такие два параметры схемы замещения трансформатора, как индуктивность намагничивающего контура 216 и индуктивность рассеяния 217, величины которых могут быть изменены за счет выбора зазора 214 и 224. Так, с увеличением зазора уменьшается первый параметр и возрастает второй. Сам преобразователь напряжения выполняется на серийной элементной базе, что позволяет считать его «промышленно применимым».

Работа преобразователя происходит следующим образом. За счет поочередной коммутации транзисторов 111, 112 первого инвертора 11 (транзисторов 121, 122 второго инвертора 12) входная обмотка 212 трансформатора 21 (выходная обмотка 222 трансформатора 22) поочередно подключается своим концом (началом) к положительному или отрицательному полюсу источника питания. В точке соединения силовых конденсаторов 113, 114 (123, 124) напряжение составляет половину от напряжения питания, то есть 0,5U₁ . Полученные переменные напряжения прямоугольной формы инверторов 11 и 12 трансформируются до одинакового требуемого уровня и суммируются алгебраически, то есть с учетом знака (полярности) на вторичных обмотках 213 и 223. После его выпрямления и сглаживания получается постоянное выходное напряжение U₂. Регулирование и стабилизацию U₂ осуществляют через канал обратной связи блоком управления за счет управления фазовым сдвигом между выходными напряжениями инверторов 11 и 12. Так, при малом угле модуляции (коэффициенте заполнения импульса) двухполярные импульсы напряжения на парах выходных обмоток 213 и 223 имеют малую ширину с большим временем паузы между ними, а выходное напряжение U₂ - низкий уровень. С увеличением угла модуляции время паузы уменьшается, и выходное напряжение растет. Для реализации мягкой коммутации необходимо обеспечить условия для получения явления резонанса в одном из резонансных конденсаторов 115, 116, 125 и 126 с дополнительной индуктивностью 13 или/и индуктивностями намагничивающего контура 216 и рассеяния 217 трансформаторов. Индуктивность намагничивающего контура обоих трансформаторов 21 и 22 имеет значительную величину по сравнению с индуктивностями рассеяния и задает характер нарастания (обычно линейный) тока через них при подаче напряжения на входные обмотки 212 и 222. При коммутации силового транзистора имеют место динамические потери мощности, связанные с конечной длительностью интервала коммутации, наличии напряжения на транзисторе и нарастающем (спадающем) токе. Эти потери можно минимизировать, если применить резонансные конденсаторы, подключенные параллельно транзисторам, за счет обеспечения процессов коммутации ключей при нулевом напряжении на этих конденсаторах. В случае неправильного выбора параметров резонансной цепи динамические потери мощности даже на холостом ходу могут быть значительными, поскольку при наличии напряжения на конденсаторе энергия, накопленная в нем, пропорциональна квадрату напряжения на этом элементе и равна W_С=0,5 С U². Энергия рассеивается на коммутируемом транзисторе и при высокой частоте преобразования является причиной относительно больших динамических потерь мощности, что соответствует жесткой коммутации транзистора.

Для получения мягкой коммутации необходимо иметь достаточный уровень запасенной в индуктивности энергии, пропорциональной протекающему через нее току и равной W_L=0,5 L I², чтобы осуществить полный перезаряд резонансного конденсатора до нулевого напряжения на интервале переключения транзистора при образовании резонансного процесса. Кроме того, период Т резонансных колебаний должен находиться в определенных соотношениях со временем коммутации t_k транзистора, а именно Т 4 t_k. При этом чрезмерное увеличение Т приводит к уменьшению угла модуляции и снижению выходного напряжения преобразователя, что также крайне нежелательно. Время t _k преднамеренно вводится в цикл преобразования, чтобы транзистор переключался, после того как резонансный конденсатор разрядится до нулевого напряжения. Для этого нужен выбор параметров, изменяемых при переходе к различным режимам (номинальный режим, средних нагрузок, холостой ход, короткое замыкание). В предлагаемом изобретении для этого используются резонансные конденсаторы и три вида индуктивностей - намагничивающего контура и рассеяния у трансформатора(ов) и дополнительная.

Основные этапы коммутации транзисторов в установившемся режиме при номинальной нагрузке с углом модуляции, близким к максимальному значению, следующие. Предположим, заканчивается один из циклов преобразования напряжения, когда через трансформаторы 21 и 22 энергия не передается нагрузке. Включены транзистор 111 первого инвертора 11 и транзистор 121 второго инвертора 12. На конец входной обмотки 212 и на начало входной обмотки 222 подается напряжение +0,5U₁ с конденсаторов 113 и 123. Из-за встречного включения этих обмоток сумма напряжений на парах выходных обмоток 212 и 221 равна нулю, а ток нагрузки обеспечивается энергией, накопленной индуктивностью 33. Уравновешивающий ток во входных обмотках 212 и 222 свободно циркулирует через транзисторы 111 и 121, но в инверсном режиме (от истока к стоку) и через их встречные диоды. Конденсаторы 115 и 125 полностью разряжены, а 116 и 126 заряжены до уровня 0,5U ₁. В дополнительной индуктивности 13 ток нулевой.

От блока управления подается сигнал на запирание транзистора 111. Он выключается без потерь при нулевом напряжении на конденсаторе 115, который затем будет заряжаться частью указанного уравновешивающего тока до уровня 0,5U₁. Противоположный процесс происходит в конденсаторе 116, разряжаемом другой частью этого же тока от 0,5U₁ до нулевого уровня, подготавливая условия для включения транзистора 112 через время t _k. По сигналу от блока управления происходит включение транзистора 112 при нулевом напряжении на конденсаторе 116, и входная обмотка 212 своим концом оказывается подключенной к (-) источника питания. Скорость нарастания тока в ней, начиная с отрицательного уровня до уровня приведенного тока нагрузки, определяется прикладываемым напряжением 0,5U₁ и индуктивностями рассеяния. За счет положительной полярности суммарного напряжения на паре выходных обмоток 213 и 223 откроется диод 32, а на диод 31 подается запирающее напряжение. Индуктивность 33 фильтра запасает энергию. На этом интервале происходит передача мощности в нагрузку. Через дополнительную индуктивность 13 протекает нарастающий ток. К концу интервала, определяющего угол относительной модуляции (коэффициент заполнения импульсов), токи во входных обмотках 212 и 222 нарастут до значения, определяемого приведенным током нагрузки и индуктивностями намагничивающих контуров 216 трансформаторов 21 и 22. Они протекают по диагоналям обоих инверторов 11 и 12, и при этом в индуктивностях рассеяния 217 обоих трансформаторов 21 и 22 запасается достаточно большая энергия. Конденсаторы 116 и 125 полностью разряжены, конденсаторы 115 и 126 заряжены до уровня 0,5U₁. По сигналу от блока управления запирается транзистор 121 при нулевом напряжении на конденсаторе 125. За счет энергии, запасенной индуктивностями рассеяния 217, которые в появлении резонансного процесса на этом интервале играют главную роль, токи в первичных обмотках и в дополнительной индуктивности 13 продолжают течь, но через конденсатор 125, заряжаемый до уровня 0,5U₁, и через конденсатор 126, разряжаемый от напряжения 0,5U₁ до нуля. Через время t_k после запирания транзистора 121 от блока управления поступает сигнал, отпирающий транзистор 122. Процесс его включения происходит при нулевом напряжении на конденсаторе 126. На входных обмотках 212 и 222 полярность напряжения становится противоположной, а суммарное напряжение на парах выходных обмотках 213 и 223 - нулевым. Ток в нагрузке поддерживается за счет энергии, запасенной в индуктивности 33 фильтра. Начинается процесс свободной циркуляции уравновешивающего тока через транзисторы 112 и 122, переходящие в инверсный режим, и их встречные диоды. Конденсаторы 116 и 126 полностью разряжены, а 115 и 125 заряжены до уровня 0,5U₁. От блока управления подается сигнал на запирание транзистора 112. Он выключается без потерь при нулевом напряжении на конденсаторе 116. Этот конденсатор будет заряжаться до 0,5U₁, пропуская часть уравновешивающего тока. Противоположный процесс происходит в конденсаторе 115. Он разряжается оставшейся частью этого же тока от 0,5U ₁ до нулевого уровня. По сигналу от блока управления происходит включение транзистора 111 при нулевом напряжении на конденсаторе 115, и входная обмотка 212 своим концом оказывается подключенной к (+) источника питания. Отпирается диод 31, и индуктивность 33 запасает энергию, то есть происходит передача мощности в нагрузку. В индуктивностях рассеяния обоих трансформаторов 21 и 22 запасается энергия. Конденсаторы 115 и 126 полностью разряжены, конденсаторы 116 и 125 заряжены до уровня 0,5U₁. По сигналу от блока управления запирается транзистор 122 при нулевом напряжении на конденсаторе 126. Индуктивности рассеяния 217 обеспечивают протекание тока в первичных обмотках через конденсатор 126, который заряжается до уровня 0,5U₁, и через конденсатор 125, разряжаемый от напряжения 0,5U₁ до нуля. От блока управления поступает сигнал, отпирающий транзистор 121. Процесс его включения происходит при нулевом напряжении на конденсаторе 126. Затем все процессы повторяются аналогично. Следовательно, в режиме номинальной нагрузки наибольшую энергию запасают индуктивности рассеяния и меньшую - индуктивности намагничивающего контура, обеспечивая мягкую коммутацию транзисторов. В дополнительной индуктивности 13 на коротком интервале паузы (наибольший угол модуляции) ток не успевает нарасти до преобладающего уровня, и ее роль в резонансном процессе малозначима. При коротком замыкании в нагрузке влияние индуктивностей рассеяния на резонансный процесс еще более усилится, угол модуляции и средний ток нагрузки снизится за счет возрастания времени коммутации, что повышает надежность преобразователя, а динамические потери остаются близкими к нулю.

Предположим, имеет место режим, близкий к холостому ходу с малым током нагрузки. Тогда энергии, накопленной в индуктивностях рассеяния 217 и намагничивающего контура 216, становится недостаточно для перезаряда резонансных конденсаторов 115, 116 и обеспечения мягкой коммутации силовых транзисторов 111 и 112, что приводит к значительным динамическим потерям. Поскольку индуктивность намагничивающего контура 216 многократно превосходит индуктивность рассеяния 217, то при холостом ходе увеличение тока, определяемое индуктивностью намагничивающего контура 216, практически отсутствует. Энергия, накопленная в резонансном конденсаторе и рассеиваемая в транзисторе, пропорциональна (0,5U₁) ², то есть при высоком питающем напряжении значимость указанной составляющей динамических потерь остается большой. Указанное обстоятельство подтверждает целесообразность перехода к полумостовой схеме инверторов, так как энергия, накопленная в резонансных конденсаторах, уменьшается в 4 раза. Кроме того, в предлагаемом изобретении введена дополнительная индуктивность 13, улучшающая условия получения резонансного процесса при перезаряде резонансных конденсаторов. Это достигается указанным подключением дополнительной индуктивности 13 для получения зависимости накопленной в ней энергии от угла модуляции (времени паузы). За счет обратной связи при малом токе нагрузки время паузы возрастает (уменьшается угол модуляции), что увеличивает время заряда дополнительной индуктивности 13, ее ток в конце интервала и, как следствие, накопленную энергию. А это обеспечивает мягкую коммутацию транзисторов, снижая динамические потери мощности. При больших токах нагрузки время паузы сокращается, ослабляя влияние дополнительной индуктивности 13, а роль индуктивностей рассеивания и намагничивающего контура усиливается. При средних значениях тока нагрузки влияние дополнительной индуктивности меньше, чем при холостом ходе, но усиливается роль индуктивности намагничивающего контура 216 и индуктивности рассеяния, обеспечивая приемлемые условия для возникновения резонансных процессов и мягкой коммутации транзисторов. За счет выбора величины зазора в магнитопроводах 211 и 221 подбирается такое соотношение этих параметров, чтобы обеспечить условия мягкой коммутации транзисторов.

Таким образом, у предлагаемого преобразователя напряжения достигнуто снижение динамических потерь в транзисторах путем обеспечения условий мягкой коммутации при изменении тока нагрузки, в том числе при импульсном ее характере. Этот технический результат получен следующим образом. Каждый трансформатор электромагнитного узла выполняет функции трех элементов - трансформатора для получения требуемого уровня выходного напряжения, индуктивности, параллельной входной обмотке (индуктивность намагничивающего контура), и индуктивности, последовательной с входной обмоткой (индуктивность рассеяния). Соотношения этих индуктивностей выбираются изменением зазора. Обе указанные индуктивности накапливают энергию при средних и номинальных токах нагрузки, а также при коротком замыкании, достаточную для получения резонансных процессов перезаряда конденсаторов, обеспечивающих мягкую коммутацию силовых транзисторов. Дополнительная индуктивность включена между двумя инверторами таким образом, чтобы при малых токах нагрузки и наибольшем по длительности интервале паузы между импульсами напряжения, передаваемыми через трансформаторы, она могла накапливать энергию, достаточную для получения требуемых резонансных процессов и мягкой коммутации транзисторов, что недостижимо только за счет индуктивностей намагничивающего контура и рассеяния трансформаторов. При изменении тока нагрузки роль указанных трех индуктивностей автоматически перераспределяется и обеспечивается требуемая мягкая коммутация ключей с малыми динамическими потерями. Кроме того, применение полумостовых схем инверторов позволило снизить в 4 раза энергию, запасаемую в резонансных конденсаторах, и, как следствие, уменьшить динамические потери мощности, связанные с перезарядом этих элементов.