Диссертация (Энергетическая установка электромобиля с системой многоканального преобразования постоянного напряжения), страница 5

В качестве ключей VT1 и VT2 используются биполярные транзисторы сизолированным затвором (IGBT) или полевые транзисторы типа MOSFET.251.1.5. Преобразователи с мостовым выходом (full bridge converter)Полномостовой преобразователь постоянного напряжения относится квысокочастотным преобразователям постоянного напряжения с гальваническойразвязкой цепей и может быть использован в различных схемах источниковпитания.Нарисунке1.6представленасхемаполномостовогоППН.Принципиальное отличие полномостового ППН от прочих состоит в том, чтоинвертор образован из четырех ключевых элементов VT1-VT4, тогда как вполумостовой схеме инвертор состоит из двух транзисторных ключей и двухемкостных конденсаторов – делителей напряжения.Рисунок 1.6 – Полномостовой преобразователь постоянного напряженияВыходнаячастьпреобразователясостоитиздвухполупериодноговыпрямителя и фильтрующих элементов С, L.

Использование транзисторногомоста VT1-VT4 в качестве ключевых элементов дает возможность путемкоммутирования полного преобразования входного напряжения, тем самымполучение большей мощности на выходе ППН. В качестве ключевых элементовмогут быть использованы транзисторы типа MOSFET. В промежутке междузакрытием одного ключа и открытием следующего в плече моста существуетнебольшая пауза, так называемое «мертвое время». Данная пауза необходима длятого, чтобы не появились сквозные токи. Такой алгоритм переключения ключей с26небольшим сдвигом фаз обеспечивает работу преобразователя в режиме мягкогопереключения во всем диапазоне нагрузки.Недостатком данной схемы является увеличение потерь при входномнапряжении выше 500 В и мощности преобразования выше 10 кВт.

Эти потериобусловлены увеличением токов дополнительных индуктивных элементов,обеспечивающих мягкое переключение силовых ключей, и эти токи прямопропорциональны входному напряжению.Потери в силовых ключах можно определить следующим соотношением:∆кл = 16( − ),(1.4)2где Vin – напряжение на входе, Vsat – падение напряжения на силовом ключе,находящемся в открытом состоянии, L – индуктивность дополнительногоиндуктивного элемента, Ts– период коммутации, td – «мертвое время».Эти потери ухудшают условия охлаждения и требуют увеличения габаритовохладителя и в конечном итоге способствуют понижению КПД преобразователя.Кроме того, требуется применение в качестве ключей транзисторов с большимзапасом по максимальному току и это соответственно увеличивает стоимостьпреобразователя.1.2.

Неизолированные двунаправленные преобразователи постоянногонапряженияНеизолированныеобратимые(двунаправленные)преобразователипостоянного напряжения (ОППН) могут быть собраны из однонаправленныхпреобразователей постоянного напряжения путем изменения однонаправленнойпроводимости стандартных преобразователей на двунаправленную. Стандартныепреобразователи из-за наличия диодов в схемах не имеют возможности передачимощности в двух направлениях.

Однако это ограничение может быть снятовведением в схему мощных биполярных транзисторов с изолированным затворомкак двунаправленных переключателей. Неизолированные преобразователи, как27правило, более эффективны по сравнению с изолированными из-за отсутствиявысокочастотного трансформатора. Они более легкие, компактные и имеютменьшие габариты по сравнению с изолированными ППН. Неизолированные ППНиспользуются в летательных и космических аппаратах, в высокотехнологическомоборудовании где вес и габариты ограничены.В настоящее время в электроприводах различных электроустановок нашлиприменение многоканальные преобразователи постоянного напряжения (МППН) свысокой плотностью мощности.

Многоканальные преобразователи постоянногонапряжения имеют преимущество по сравнению с одноканальными, так каксостоят из нескольких отдельных, параллельно работающих на общую нагрузкуППН. Такая схема преобразования позволяет распределить мощность нагрузки нанесколько отдельных, параллельно работающих преобразователей, что в конечномсчете увеличивает плотность мощности преобразователя. При этом пульсация токана общей шине станет относительно низкой, и небольшой емкости конденсаторафильтра достаточно для сглаживания пульсации напряжения [91].1.2.1.

Повышающий преобразователь постоянного напряженияСхема повышающего преобразователя постоянного напряжения (англ. Stepup или boost) и характеристика зависимости коэффициента преобразования откоэффициента заполнения показаны на рисунке 1.7 (а,б).Рисунок 1.7 – Схема ППН (а) и зависимость коэффициента преобразованияот коэффициента заполнения (б)28Этот преобразователь выдает выходное напряжение UВЫХ, которое повеличине больше, чем входное UВХ.Коэффициент преобразования этой схемы определяется как:М (D) = 1 / (1 - D).(1.5)Выходное напряжение преобразователя зависит от индуктивности катушки иот времени заряда конденсатора.

Чем больше время заряда конденсатора, тем вышевыходное напряжение. Однако выходное напряжение ограничено и не можетпревышать более чем в два-три раза входного напряжения. Чем больше выходноенапряжение, тем меньше время включения транзистора.Для получения большой мощности и более высокого напряжения на выходенеобходимо использовать дроссель и элементы, работающие с высокимнапряжением.1.2.2. Понижающий импульсный преобразовательСхема понижающего преобразователя постоянного напряжения (англ.

Stepdown или buck) показана на рисунке 1.8.Рисунок 1.8 – Принципиальная схема понижающего ППН: L ‒ дроссель, C ‒конденсатор фильтра, R ‒ сопротивление нагрузки, Vg ‒ источник постоянногонапряжения и K ‒ переключатель29Понижающий преобразователь состоит из переключателя К и фильтранизких частот LC, снижающего высокочастотные гармоники.Коэффициент преобразования этой схемы (рисунок 1.8) равен:M(D) = D(1.6)Переключающий ключ установлен на входе источника с постояннымнапряжением Vg. Напряжение на выходе переключателя VS(t) равно Vg, когдапереключатель находится в положении 1, и равно нулю, когда переключательнаходится в положении 2.

Переключение происходит с такой периодичностью, чтона выходе получается прямоугольный сигнал, имеющий период TS и рабочий циклD (рисунок 1.9).Рисунок 1.9 – Вид сигнала на выходе преобразователяРабочий цикл равен отрезке времени, когда переключатель находится вположении 1 и, следовательно, 0 ≤ D ≤ 1. Частота переключения fS равна 1 / TS.Напрактикепереключательреализуетсясиспользованиемполупроводниковых устройств, таких как силовые IGBT-транзисторы, биполярныетранзисторы или тиристоры.Частота переключения находится в диапазоне от 1 кГц до 1 МГц и зависит отбыстродействияполупроводниковыхустройств.Действующеезначениевыходного напряжения определяется по выражению: =1∫0 () = .(1.7)30Из этого уравнения видно, что действующее значение напряжения равноплощади импульса или высоте Vg, умноженной на время DTS.Переключением ключа К обеспечивается изменение действующего значениянапряжения на величину, равную коэффициенту заполнения D.

Поскольку 0 ≤ D ≤1, действующее значение VS меньше или равно Vg.1.2.3. Преобразователь с изменением полярности выходногонапряженияНа практике большинство промышленных устройств и оборудования требуетна входе напряжения питания с постоянным током различного уровня. Это могутбыть блоки питания портативных устройств или бытовые электроприборы,промышленные или телекоммуникационное оборудование.

Преобразователи вблоках питания должны преобразовывать напряжение высокого уровня на одинили несколько источников более низкого напряжения для питания отдельныхэлементов. В некоторых случаях требуется изменение полярности входногонапряжения, например, в аудио-усилителях, приемниках или приборах усилениясигналов.

Для решения данной задачи преобразователь можно настроить наинвертирующий режим понижения или повышения напряжения, где полярностьвыходного напряжения противоположна полярности входного напряжения.Преобразователь с изменением полярности напряжения (англ. Inverting converter)показан на рисунке 1.10.Рисунок 1.10 – Преобразователь с изменением полярности напряжения311.2.4. Преобразователь с любым выходным напряжениемНа рисунке 1.11 показана схема преобразователя, которая на выходе имееткак высокое, так и низкое напряжение (англ.

step-up/step-down или buck/boost) поотношению к входному, а на рисунке 1.12 – характеристика зависимостикоэффициента преобразования от коэффициента заполнения.Рисунок 1.11 – Схема преобразователя с любым выходным напряжениемРисунок 1.12 – Характеристика зависимости коэффициента преобразованияот коэффициента заполненияДанный преобразователь может изменить полярность напряжения иувеличивать или уменьшать величину напряжения на выходе.Коэффициент преобразования этой схемы определяется как:M(D) = -D/ (1-D).(1.8)В качестве примера данного ППН может служить устройство, питающееся отаккумуляторной батареи.

Вначале аккумуляторная батарея имеет максимальное32напряжение, и по мере потребления электроэнергии нагрузкой напряжениеаккумуляторной батареи снижается. Преобразователь плавно переходит от режимапонижения в режим повышения напряжения и обеспечивает стабильноеноминальное напряжение на нагрузке. Однако в зависимости от режима работыпреобразователя, схема управления может усложнятся.На рисунке 1.13 показана практическая реализация понижающего иповышающего ППН с системой управления на базе контроллера LM 5118,двойного режима от Texas Instrument.Рисунок 1.13 – Двухключевой преобразователь постоянного напряженияПо мере снижения входного напряжения преобразователь переходит изрежима понижения в режим повышения.