(квази-)резонансный преобразователь постоянного напряжения с пониженными коммутационными потерями

Формула изобретения

(Квази-)резонансный трансформаторный преобразователь постоянного напряжения, содержащий инвертор напряжения, трансформатор, первичная обмотка которого подсоединена через индуктивный элемент к выходу инвертора напряжения, и выпрямитель, вход которого подсоединен ко вторичной обмотке трансформатора, отличающийся тем, что (квази-)резонансный конденсатор, обеспечивающий совместно с индуктивным элементом (квази-)резонансный режим работы преобразователя, распределяют параллельно элементам выпрямителя, что позволяет существенно снизить коммутационные потери за счет обеспечения коммутации вентильных элементов выпрямителя при «нулевом» напряжении.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в преобразователях постоянного напряжения.

Одной из проблем при построении инверторных трансформаторных преобразователей постоянного напряжения является проблема снижения коммутационных потерь и скорости изменения напряжения на вентильных элементах выпрямителя и повышения тем самым надежности работы преобразователя.

Под (квази-)резонансным трансформаторным преобразователем далее будем понимать преобразователь резонансного или квазирезонансного типа, в котором вход выпрямителя нагрузки подсоединен параллельно по переменному току к (квази-)резонансному конденсатору, образующему с индуктивным элементом силовой резонансный контур преобразователя, а трансформатор включен таким образом, чтобы обеспечить требуемую трансформацию напряжения.

Если трансформатор включен между (квази-)резонансным конденсатором и входом выпрямителя нагрузки, то в процессе запирания диодов выпрямителя нагрузки их ток обратного восстановления протекает и через индуктивность рассеяния трансформатора. Ток индуктивности мгновенно прерваться не может, что приводит к протеканию накопленного в индуктивности рассеяния трансформатора тока через запирающиеся диоды и во второй фазе их запирания, что приводит к значительным скоростям роста обратного напряжения на запирающихся диодах и соответствующем всплеске выделяемой на них мощности.

Другим отрицательным следствием указанного подсоединения трансформатора является то, что вследствие получающегося высокого значения скорости роста обратного напряжения и наличия индуктивностей рассеяния монтажа и выводов отпирающихся диодов получаем, что накопленный обратный ток восстановления диодов в индуктивности рассеяния трансформатора не может быстро перейти в отпирающиеся диоды, что дает выброс обратного напряжения на запирающихся диодах.

Снижение указанного всплеска мощности путем отвода части тока с запирающихся диодов возможно осуществить, если диод будет зашунтирован конденсатором. Сопутствующее снижение скорости нарастания обратного напряжения на запирающихся диодах приведет к снижению на них выброса обратного напряжения. Другими словами, нужно обеспечить коммутацию (включение и выключение) вентильных элементов выпрямителя при «нулевом» напряжении. Все это осуществляется в предлагаемом преобразователе.

Известен преобразователь постоянного напряжения [1], содержащий инвертор напряжения, трансформатор, первичная обмотка которого подсоединена через индуктивный элемент к выходу инвертора напряжения, и выпрямитель, вход которого подсоединен ко вторичной обмотке трансформатора. Недостатком является наличие коммутационных потерь в вентильных элементах выпрямителя.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа [2], (фиг.3), является (квази-)резонансный трансформаторный преобразователь постоянного напряжения, содержащий инвертор напряжения, трансформатор, первичная обмотка которого подсоединена через индуктивный элемент к выходу инвертора напряжения, конденсатор, подключенный к первичной обмотке трансформатора и выпрямитель, вход которого подсоединен ко вторичной обмотке трансформатора.

Преимуществом является уменьшение коммутационных потерь при запирании вентильных элементов выпрямителя вследствие наличия конденсатора. Недостатком является лишь частичное уменьшение коммутационных потерь в вентильных элементах выпрямителя вследствие наличия индуктивности рассеяния трансформатора.

Техническим результатом изобретения является более полное снижение коммутационных потерь и скорости изменения напряжения на вентильных элементах выпрямителя в (квази-)резонансных трансформаторных преобразователях постоянного напряжения.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом преобразователе, содержащем инвертор напряжения, трансформатор, первичная обмотка которого подсоединена через индуктивный элемент к выходу инвертора напряжения и выпрямитель, вход которого подсоединен ко вторичной обмотке трансформатора, (квази-)резонансный конденсатор, обеспечивающий совместно с индуктивным элементом (квази-)резонансный режим работы преобразователя, распределен параллельно элементам выпрямителя, что позволяет обеспечить коммутацию вентильных элементов выпрямителя при «нулевом» напряжении.

Сущность изобретения заключается в изменении воздействия индуктивности рассеяния трансформатора и частично индуктивности монтажа на работу вентильных элементов выпрямителя.

На Фиг.1 представлена схема силовой части варианта предлагаемого (квази-)резонансного трансформаторного преобразователя постоянного напряжения. В качестве выпрямителя выбран диодный мост.

На Фиг.2 представлены эпюры напряжений и токов, поясняющих работу схемы, представленной на фиг.1. Предполагается, что нагрузка имеет нулевое входное дифференциальное сопротивление.

На Фиг.3 представлена схема силовой части преобразователя прототипа.

Вариант преобразователя (Фиг.1) содержит инвертор напряжения 1, трансформатор 2, первичная обмотка которого подсоединена через индуктивный элемент 3 к выходу инвертора напряжения 1, выпрямитель 4, вход которого подсоединен ко вторичной обмотке трансформатора 2, и (квази-)резонансный конденсатор, представленный в виде конденсаторов 9-12, распределенных параллельно элементам выпрямителя 4.

Работа выбранного варианта предлагаемого преобразователя осуществляется следующим образом (фиг.2). Пусть к моменту времени t₁ ток вторичной обмотки трансформатора 2 протекает в нагрузку через открытые диоды 5 и 8, диоды 6 и 7 соответственно закрыты. В момент времени t₁ начинается изменение напряжения на выходе инвертора напряжения 1 под действием тока индуктивного элемента 3, что далее приводит к уменьшению модуля тока индуктивного элемента 3 и прямого тока диодов 5 и 8. В момент времени t₂ ток индуктивного элемента 3 меняет знак и через диоды 5 и 8 начинает протекать обратный ток восстановления, достигающий максимального значения в момент времени t₃ . Напряжение на диодах 5 и 8 в интервале времени t₂ -t₃ приблизительно равно нулю. В интервале времени t₃-t₄ обратный ток восстановления диодов 5 и 8 уменьшается до пренебрежимо малой величины, а ток индуктивного элемента 3 перехватывается конденсаторами 9-12. Конденсаторы 9-12 образуют (квази-)резонансный конденсатор, поэтому их емкости достаточно для того, чтобы до момента времени t₄ напряжение на диодах 5 и 8 не успело подняться выше достаточно малой величины, обеспечивая тем самым запирание диодов 5 и 8 при «нулевом» напряжении. По этой же причине существенно ограничивается скорость изменения напряжения на диодах 5-8 в интервале времени t ₃-t₅, когда ток вторичной обмотки трансформатора 2 протекает через конденсаторы 9-12. В момент времени t₅ ток вторичной обмотки трансформатора 2 через отпирающиеся диоды 6 и 7 начинает поступать в нагрузку, причем выброса напряжения на запирающихся диодах 5 и 8, который обычно происходит вследствие наличия паразитных индуктивностей разводки и выводов отпирающихся диодов 6 и 7, фактически не происходит по причине достаточно низкого значения скорости нарастания напряжения на запирающихся диодах 5 и 8.

В интервале времени t₅ -t₆ ток индуктивного элемента 3 может увеличиваться или уменьшаться в зависимости от соотношения входного и выходного напряжений преобразователя постоянного напряжения и коэффициента трансформации трансформатора 2. Интервал времени t₆ -t₇ по сути процессов эквивалентен интервалу времени t₁-t₅ в силу симметрии схемы выпрямителя 4.

Необходимо отметить, что индуктивность рассеяния трансформатора 2 и частично индуктивность монтажа складываются с индуктивностью индуктивного элемента 2.

Также необходимо отметить, что при конструировании реального преобразователя постоянного напряжения возможно ограничиться введением в состав выпрямителя 4 только одного конденсатора, подключенного параллельно входу выпрямителя 4. Однако с целью снижения индуктивности монтажа желательно подключить введенные в состав выпрямителя 4 конденсаторы непосредственно к каждому вентильному элементу выпрямителя 4 и расположить как можно ближе к соответствующим кристаллам вентильных элементов выпрямителя 4, а все соединения выполнить низкоиндуктивными.

Анализ известных технических решений показал, что предлагаемый преобразователь постоянного напряжения проявляет новые свойства, заключающиеся в снижении коммутационных потерь и скорости изменения напряжения на вентильных элементах выпрямителя.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1] Лукин А. Высокочастотные преобразователи постоянного напряжения. // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. № 1, 1992, стр.33-36.

[2] Полищук А. Высокоэффективные источники вторичного электропитания высокого напряжения для радиопередающих устройств СВЧ. //Силовая Электроника. № 2, 2004, стр.66-70.