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, а также инверторы на их основе. Предложена базовая структура обратимого прямоходового двуполярного конвертора (ОПДК) для обеспечения двусторонней совместимости питающих каналов постоянного и переменного тока.

Однонаправленные преобразователи

Базовыми простейшими импульсными модуляторами для построения полупроводниковых статических преобразователей традиционно считаются так называемые «понижающий», «повышающий» и «инвертирующийбезразличный» (понижающе-повышающий) с соответствующими регулировочными характеристиками (при непрерывности тока дросселя) K_U = U_вых / U_вх = ƒ (γ) [1]:

где γ = Δt_и /Т_шим — относительная длительность импульса. К менее известным, но все же встречающимся простейшим модуляторам относятся еще три, также бестрансформаторные:

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

Все вышеупомянутые регулировочные характеристики приведены на рис. 1.

Следует, однако, заметить, что если дополнить все перечисленные выше схемы вспомогательным фильтровым конденсатором, включенным между зажимами входа и выхода (по схеме треугольника совместно с имеющимися основными фильтрами), то указанные схемы во многом унифицируются за счет появления дополнительного канала питания (см. рис. 2).

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

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

На рис. 5 представлена возможная модернизация классической схемы ПоликарповаКука [3] с указанием на следующие преимущества:

• гладкий потребляемый ток в широком диапазоне коэффициентов заполнения;
• на первичной стороне согласующего трансформатора напряжение больше напряжения питания, что снижает коэффициент трансформации в повышающих преобразователях, упрощает конструкцию трансформатора (по сравнению со схемой с выводом средней точки трансформатора) и уменьшает его паразитные параметры;
• при стабилизации напряжения на нагрузке и увеличении питающего напряжения максимальное напряжение на ключах и других элементах схемы преобразователя растет существеннее медленнее, чем напряжение питания; за счет этого снижается класс применяемых приборов;
• из двух ключевых приборов, составляющих плечо схемы, один существенно разгружен по току, и значительный вклад в потери вносит лишь один ключ из пары, что позволяет существенно повысить КПД схемы;
• энергия, накапливаемая в индуктивности рассеяния трансформатора во время импульса, автоматически выводится в нагрузку или первичный источник питания, для чего не требуется каких-либо изменений или дополнений схемы;
• схема (рис. 5в) устойчива к несимметрии, которая может быть несимметрией управления или несимметрией параметров элементов.

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

Анализ возможных вариантов схем бестрансформаторных преобразователей, вытекающих из вышеприведенных обобщенных схем, убедительно показывает их однонаправленность. Для обеспечения обратимости преобразования и его многорежимности (с понижением или повышением напряжения) необходима иная схема — с переменной структурой.

Обратимые преобразователи

Одним из возможных вариантов является схема четырехмодуляторного обратимого прямоходового однополярного конвертора, приведенная на рис. 6. Помимо четырех модуляторов к недостаткам схемы относится неспособность работать при изменении полярности питающих напряжений.

На рис. 7 приведена схема десятимодуляторного обратимого двуполярного конвертора. Схема позволяет осуществлять обратноходовое реверсирование полярности выходного напряжения относительно входного, то есть, по существу, может служить непосредственным циклоконвертором с общей точкой.

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

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

Данная схема может обеспечить двустороннюю совместимость питающих каналов постоянного и переменного тока.

Она позволяет радикально упростить структуры преобразователей, исключив из них обратно-дублирующие звенья, а также инверторные звенья промежуточной повышенной частоты и трансформаторы. При этом в ОПДК используется только наиболее экономичное прямоходовое преобразование. Преимущества ОПДК наиболее существенно проявляются при использовании в качестве модуляторных ключей дорогостоящих мощных высоковольтных запираемых тиристоров типа IGCT.

В заключение рассмотрим схему универсального четырехключевого обратимо-реверсивного активного делителя (умножителя) напряжения (АДН), приведенную на рис. 10. При всей своей многофункциональности данная схема достаточно проста в изготовлении и управлении. Помимо обратимости и реверсивности АДН способен осуществлять режимы:

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

В то же время следует отметить и следующие недостатки схемы:

1. В варианте симметричной обратимости (U1 — U2) возможен только инвертирующий режим (–γ / (1 – γ)) с относительно низким КПД.
2. В варианте асимметричной обратимости (U3 — U1, U1 — U3) невозможны «безразличный» режим и двусторонние одинаковые режимы (понижение-понижение или повышение-повышение).
3. Потенциальная возможность установления режимов «сквозных сверхтоков» при случайном одновременном отпирании двух однонаправленных транзисторов в составе модульных обратимых электронных ключей (ОЭК1, 2).

Литература

1. Резников С. Б., Болдырев В. Г., Бочаров В. В., Булеков В. П., Постников В. А. Электроэнергетическая совместимость транспортных электроэнергетических комплексов с системами высоковольтного питания. Учебное пособие / Под ред. Резникова С. Б. Издательство МАИ, 2007.
2. Патент США 4.184.197, 1980.
3. Царенко А., Серегин Д. Новые схемы статических преобразователей электрической энергии и их сравнительный анализ // Силовая электроника. 2007. № 3.