Рубрики
Составляющие силовой электроники

Однонаправленные и обратимые бестрансформаторные импульсные преобразователи напряжения

Однонаправленные и обратимые бестрансформаторные импульсные преобразователи напряжения Станислав Резников Олег Гильбурд Евгений Парфенов В статье рассмотрены, обобщены и унифицированы

Однонаправленные и обратимые бестрансформаторные импульсные преобразователи напряжения Станислав Резников
Олег Гильбурд
Евгений Парфенов

В статье рассмотрены, обобщены и унифицированы бестрансформаторные однонаправленные и обратимые импульсно-модуляторные конверторы и циклоконверторы, также инверторы на их базе. Предложена базисная структура обратимого прямоходового двуполярного конвертора (ОПДК) для обеспечения двухсторонней сопоставимости питающих каналов неизменного и переменного тока.

Однонаправленные преобразователи

Базисными простейшими импульсными модуляторами для построения полупроводниковых статических преобразователей обычно числятся так именуемые «понижающий», «повышающий» и «инвертирующийбезразличный» (понижающе-повышающий) с надлежащими регулировочными чертами (при непрерывности тока дросселя) KU = Uвых / Uвх = ƒ (γ) [1]:

Однонаправленные и обратимые бестрансформаторные импульсные преобразователи напряжения

где γ = Δtи /Тшим — относительная продолжительность импульса. К наименее известным, но все таки встречающимся простым модуляторам относятся еще три, также бестрансформаторные:

  1. «синхронно-двухключевойпонижающий» (с двуполярным выходом) (KU = 2γ – 1);
  2. «универсально-двухключевой с переменной структурой» (KU = γ, KU = 1 / (1 – γ), KU = –γ / (1 – γ));
  3. схема Поликарпова-Кука (с промежным конденсатором и вторым дросселем) (KU = –γ / (1 – γ)) [2].

Однонаправленные и обратимые бестрансформаторные импульсные преобразователи напряжения

Все вышеупомянутые регулировочные свойства приведены на рис. 1.

Однонаправленные и обратимые бестрансформаторные импульсные преобразователи напряжения

Следует, но, увидеть, что если дополнить все вышеперечисленные схемы вспомогательным фильтровым конденсатором, включенным меж зажимами входа и выхода (по схеме треугольника вместе с имеющимися основными фильтрами), то обозначенные схемы почти во всем унифицируются за счет возникновения дополнительного канала питания (см. рис. 2).

Однонаправленные и обратимые бестрансформаторные импульсные преобразователи напряжения

На рис. 3 приведена обобщенная схема обычных простых бестрансформаторных импульсных конверторов и их регулировочные свойства при непрерывности тока дросселя. На схеме обозначено: γ — коэффициент наполнения импульса при ШИМ-регулировании; О/П — однополярное преобразование; Р/П — разнополярное преобразование; О/П и Р/П — оба преобразования, зависимо от соотношения γ ≤ ≥ 0,5; пон., пов. и безр. — понижающее (прямоходовое), повышающее (прямоходовое) и безразличное (обратноходовое) преобразования; ЭК и ЭК’ — основной и вспомогательный (синхронные) электрические ключи.

Однонаправленные и обратимые бестрансформаторные импульсные преобразователи напряжения

На рис. 4 приведена подобная обобщенная схема бестрансформаторных импульсных конверторов Поликарпова-Кука с промежным конденсатором (С4) и их регулировочные свойства при непрерывности токов дросселей.

Однонаправленные и обратимые бестрансформаторные импульсные преобразователи напряжения

На рис. 5 представлена вероятная модернизация традиционной схемы ПоликарповаКука [3] с указанием на последующие достоинства:

  • гладкий потребляемый ток в широком спектре коэффициентов наполнения;
  • на первичной стороне согласующего трансформатора напряжение больше напряжения питания, что понижает коэффициент трансформации в повышающих преобразователях, упрощает конструкцию трансформатора (по сопоставлению со схемой с выводом средней точки трансформатора) и уменьшает его паразитные характеристики;
  • при стабилизации напряжения на нагрузке и увеличении питающего напряжения наибольшее напряжение на ключах и других элементах схемы преобразователя вырастает существеннее медлительнее, чем напряжение питания; из-за этого понижается класс используемых устройств;
  • из 2-ух главных устройств, составляющих плечо схемы, один значительно разгружен по току, и значимый вклад в утраты заносит только один ключ из пары, что позволяет значительно повысить КПД схемы;
  • энергия, накапливаемая в индуктивности рассеяния трансформатора во время импульса, автоматом выводится в нагрузку либо первичный источник питания, зачем не требуется каких-то конфигураций либо дополнений схемы;
  • схема (рис. 5в) устойчива к несимметрии, которая может быть несимметрией управления либо несимметрией характеристик частей.

Однонаправленные и обратимые бестрансформаторные импульсные преобразователи напряжения

К недочетам схемы можно отнести возможность возникновения «сквозных» сверхтоков в полупроводниковых ключах при воздействии помех на цепи схемы управления.

Анализ вероятных вариантов схем бестрансформаторных преобразователей, вытекающих из вышеприведенных обобщенных схем, внушительно указывает их однонаправленность. Для обеспечения обратимости преобразования и его многорежимности (с снижением либо увеличением напряжения) нужна другая схема — с переменной структурой.

Обратимые преобразователи

Одним из вероятных вариантов является схема четырехмодуляторного обратимого прямоходового однополярного конвертора, приведенная на рис. 6. Кроме 4 модуляторов к недочетам схемы относится неспособность работать при изменении полярности питающих напряжений.

Однонаправленные и обратимые бестрансформаторные импульсные преобразователи напряжения

На рис. 7 приведена схема десятимодуляторного обратимого двуполярного конвертора. Схема позволяет производить обратноходовое реверсирование полярности выходного напряжения относительно входного, другими словами, по существу, может служить конкретным циклоконвертором с общей точкой.

Однонаправленные и обратимые бестрансформаторные импульсные преобразователи напряжения

На рис. 8 приведена схема двухмодуляторного обратимого прямоходового двуполярного конвертора (ОПДК) с вероятным прямоходовым реверсированием при помощи симисторного мостового реверсора (МР).

Однонаправленные и обратимые бестрансформаторные импульсные преобразователи напряжения

На рис. 9 показаны режимы работы ОПДК на переменном токе (без реверсирования), не требующие дополнительных пояснений.

Однонаправленные и обратимые бестрансформаторные импульсные преобразователи напряжения

Данная схема может обеспечить двухстороннюю сопоставимость питающих каналов неизменного и переменного тока.

Она позволяет конструктивно упростить структуры преобразователей, исключив из их обратно-дублирующие звенья, также инверторные звенья промежной завышенной частоты и трансформаторы. При всем этом в ОПДК употребляется только более экономное прямоходовое преобразование. Достоинства ОПДК более значительно появляются при использовании в качестве модуляторных ключей дорогостоящих массивных высоковольтных запираемых тиристоров типа IGCT.

В заключение разглядим схему универсального четырехключевого обратимо-реверсивного активного делителя (умножителя) напряжения (АДН), приведенную на рис. 10. При всей собственной многофункциональности данная схема довольно ординарна в изготовлении и управлении. Кроме обратимости и реверсивности АДН способен производить режимы:

  1. «плавающего потенциала» средней точки (от –max до +max);
  2. «транспортера заряда» в многозвенном обратимом делителе (умножителе) завышенного напряжения без перенапряжений на обратимых электрических ключах (ОЭК) и др.

Однонаправленные и обратимые бестрансформаторные импульсные преобразователи напряжения

В то же время необходимо подчеркнуть и последующие недочеты схемы:

  1. В варианте симметричной обратимости (U1 — U2) вероятен только инвертирующий режим (–γ / (1 – γ)) с относительно низким КПД.
  2. В варианте асимметричной обратимости (U3 — U1, U1 — U3) невозможны «безразличный» режим и двухсторонние однообразные режимы (понижение-понижение либо повышение-повышение).
  3. Возможная возможность установления режимов «сквозных сверхтоков» при случайном одновременном отпирании 2-ух однонаправленных транзисторов в составе модульных обратимых электрических ключей (ОЭК1, 2).