Бестрансформаторные высоковольтные составные ШИМ-конверторы с активным самовыравниванием напряжений – «транспортёры заряда»

В статье рассмотрены новые схемотехнические решения энергоэкономичного самовыравнивания напряжений на высоковольтных транзисторных столбах в понижающих и обратимых понижающе-повышающих ШИМ-конверторах.

На рис. 1а приведена известная схема универсального однокаскадного ШИМ-конвертора, способная при непрерывном токе дросселя L работать в следующих режимах, в зависимости от отношений длительности импульсов управления транзистора VT (γ = t_u/T):

1. Повышающе-понижающего инвертирования
   
2. Повышающем
   
3. Понижающем
   

При этом фильтровой конденсатор C₃ может отсутствовать или заменять C₂. Требуемое рабочее напряжение транзистора:

Если допустимое рабочее напряжение для имеющихся транзисторов меньше требуемого, то обычно применяют столбы из последовательно соединенных транзисторов, шунтируемых выравнивающими R-C-цепями. Это приводит либо к существенному уменьшению КПД, либо к снижению надежности из-за плохого самовыравнивания напряжений на запертых транзисторах, особенно в динамических режимах (при резких изменениях питания или нагрузки). Вторым недостатком однокаскадного ШИМ-конвертора является сложность расщепления каналов питания группы нагрузок с заданными различными токами. В таком случае последовательное соединение нагрузок неприемлемо, а при их параллельном соединении рабочий ток транзистора (или всех транзисторов столба) максимален и равен сумме токов всех нагрузок.

Кроме того, транзисторные столбы предполагают использование высоковольтных взаимосвязанных драйверов, требующих точной синхронизации и формирования однотипных траекторий отпирания транзисторов с различными параметрами.

Устранить указанные недостатки однокаскадного конвертора можно с помощью бестрансформаторного высоковольтного составного ШИМ-конвертора с активным самовыравниванием напряжений — так называемого «транспортера заряда» [1, 2].

На рис. 1б и 1в показаны схемы каскадносоставных ШИМ-конверторов с кратными отношениями входных и выходных напряжений при постоянной относительной длительности отпирающих импульсов управления транзисторов (γ = 1/2). Рабочее напряжение каждого транзистора равно удвоенному выходному напряжению(U_VT = 2U₃), которое, в свою очередь, равно суммарному напряжению емкостного делителя, деленному на число его конденсаторов (U₃ = U₁/n_конд). При этом число транзисторов равно количеству диодов и дросселей и равно (n_конд — 1). Рабочие напряжения на запертых транзисторах самовыравниваются, то есть одинаковы независимо от взаимных сдвигов отпирающих импульсов, поскольку определяются только величиной γ = 1/2 и напряжением питания. Мощность можно передавать к нескольким нагрузкам, подключенным к соответствующим конденсаторам емкостного делителя, соответственно расщепляя токи нагрузок по транзисторам. Драйверы для управления транзисторами не обязаны синхронизироваться и поэтому могут быть взаимонезависимыми с раздельными цепями питания от соответствующих конденсаторов емкостного делителя.

Для приближенного сравнения массо-энергетических характеристик высоковольтных и однокаскадного инвертирующего и каскадно-составного ШИМ-конверторов воспользуемся расчетными схемами и параметрами, показанными на рис. 2.

Сравнение элементов по массо-энергетическим параметрам.

1. По потерям в R–C и R′–C′ выравнивающих цепочках — 100%.
2. По массе дросселей
   
3. По массе конденсаторов
   
4. По статическим потерям в VT (P_ст.VT = ΔU_кэIγ):
   

   (проигрыш в 2 раза).

5. По статическим потерям в VD (P_ст.VD = ΔU_ПРI(1-γ)):
   

   (выигрыш в 2 раза).

6. По динамическим потерям в VT (P_д.VT / fU_mI_m):
   

   (незначительный выигрыш).

7. По динамическим потерям в VD (P_д.VD / fU_mI_m):
   

   (незначительный выигрыш).

Общим недостатком всех рассмотренных ШИМ-конверторов является необратимость преобразования, необходимая, например, для рекуперативного торможения при питании приводных электродвигателей постоянного тока. Устранить этот недостаток можно путем удвоения числа транзисторов.

На рис. 3 приведена известная схема обратимого высоковольтного однокаскадного ШИМ-конвертора с параллельно-групповой нагрузкой. На рис. 4 показана альтернативная схема обратимого высоковольтного расщепленно-составного ШИМ-конвертора с раздельным подключением нагрузок к звеньям емкостного делителя (обратимого активного делителя — умножителя напряжения). В ней использованы три парно-модульных транзистора со встроенными обратными диодами и три соответствующих взаимнонезависимых управляющих драйвера. Имея перечисленные выше достоинства, последняя схема способна осуществлять эффективное рекуперативное торможение электропривода и компактна благодаря парно-модульным транзисторам.

Если изоляция электродвигателя не выдерживает потенциала относительно «земли», равного напряжению питания (U_п =4U_н), то можно включить двигатели так же, как на рис. 3, параллельно нижнему звену делителя. Однако при этом токи транзисторов распределятся так, как показано на рис. 2б, то есть — 2I₀, 4I₀, 6I₀.

Последняя из рассмотренных схем бестрансформаторного составного ШИМ-конвертора с активным самовыравниванием напряжений «транспортер заряда» обладает существенными преимуществами:

1. Общий выигрыш по КПД инадежности за счет отсутствия выравнивающих R-C-цепочек.
2. Обратимое активное деление (умножение) напряжения с возможностью расщепления каналов питания группы нагрузок с произвольными различными токами, включая рекуперацию энергии.
3. Возможность применения компактных парно-модульных транзисторов с низковольтными взаимонезависимыми и однотипными драйверными цепями, не требующими синхронизации.

Литература

1. Патент на полезную модель № 33274 от 10.10.2003. Обратимый импульсный преобразователь постоянных напряжений (Резников С. Б., Молочников А. Ю.)
2. Резников С. Б. Новая концепция железнодорожных импульсных тяговых электроприводов на базе реверсивных активных делителей постоянного напряжения и многорежимных обратимых конверторов // Практическая силовая электроника 2003. № 12.