Пристрій безтрансформаторного підвищення напруги живлення для електрифікованих видів транспорту з накопичувачами електроенергії

Реферат: Пристрій безтрансформаторного підвищення напруги живлення для електрифікованих видів транспорту з накопичувачами електроенергії передбачає послідовне включення до джерела живлення, індуктивного накопичувача енергії, діода і конденсатора, комутуючий елемент біполярний транзистор з ізольованим затвором включений між точкою з'єднання накопичувача енергії з діодом і загальною шиною. Паралельно підключено комутуючий елемент напівпровідниковий польовий транзистор до комутуючого елемента біполярного транзистора з ізольованим затвором між точкою з'єднання накопичувача енергії з діодом і загальною шиною. UA 116535 U (12) UA 116535 U UA 116535 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до електротехнічної та транспортної промисловості і може бути використана при розробці ефективних схем перетворення енергії в електричних та гібридних транспортних засобах. Також корисна модель може бути використана при живленні високовольтних споживачів від низьковольтних джерел енергії. Відома схема підвищення величини напруги передбачає використання явища підвищення напруги на котушці індуктивності, включеній послідовно з діодом VD і навантаження з паралельно підключеним конденсатором С. Комутуючий елемент VT1 біполярний транзистор з ізольованим затвором (Insulated Gate Bipolar Transistor-IGBT) включений між точкою з'єднання накопичувача енергії L з діодом VD і загальною шиною навантаженням. Керування транзистором здійснюється за допомогою широтно-імпульсної модуляції в залежності від необхідного рівня вихідної напруги [Corradini L., Maksimovic D., Mattavelli P., Zane R. Highfrequency switched-mode power converters //IEEE Press, 2015, p. 14]. Недоліком вказаного пристрою є те, що використання IGBT-транзисторів призводить до високих комутаційних втрат енергії, оскільки при переключенні в даній схемі спостерігається "струмовий хвіст", що спостерігається досить довгий час при виключенні ключа. В умовах високого рівня напруги колектор-емітер це явище призводить до високих втрат потужності на переключення. Найбільш близьким аналогом є пристрій підвищення величини напруги, що використовує м'які режими комутації силового ключа та складається з двох блоків силової електроніки та одного допоміжного блоку. Для зменшення втрат енергії на переключення силових ключів використовується датчик напруги для відслідковування її рівня та здійснення переключення при напрузі, близькій до нуля. [Naci Gene, Ires Iskander Steady-state analysis of a novel ZVT interleaved boost converter //International Journal of circuit theory and applications, 2011, pp. 10071021]. Недоліком наведеної схеми є використання підвищеної кількості силових ключів для зменшення пульсацій вихідного струму, а також необхідність адаптувати послідовність включення ключів до зміни напруги, що призводить до неточності у відпрацюванні сигналу завдання системи. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення енергетичної ефективності пристрою підвищення величини напруги для електрифікованого транспорту з накопичувачами електроенергії за рахунок зменшення втрат напруги в схемі шляхом паралельного включення в неї IGBT та MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor метал-оксид-напівпровідник польовий транзистор), що дозволяє мінімізувати втрати на переключення, а також втрати в статичному режимі. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що пристрій безтрансформаторного підвищення напруги живлення для електрифікованих видів транспорту з накопичувачами електроенергії, що передбачає послідовне включення до джерела живлення 1, індуктивного накопичувача енергії 2, діода 3 і конденсатора 6, комутуючий елемент 4 (Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) - біполярний транзистор з ізольованим затвором) включений між точкою з'єднання накопичувача енергії 2 з діодом 3 і загальною шиною. Згідно з корисною моделлю, паралельно підключено комутуючий елемент 5 (Metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET) - метал-оксид-напівпровідник польовий транзистор) до комутуючого елемента 4 (IGBT) між точкою з'єднання накопичувача енергії 2 з діодом 3 і загальною шиною. Суть корисної моделі пояснюється кресленням, де на фіг. 1 зображено схема пристрою підвищення вимоги напруги для акумуляторних виді електрифікованих видів транспорту; на фіг. 2 - графік протікання струму через 4 ключ (IGBT) та 5 ключ (MOSFET). Схема корисної моделі складається з послідовно включенням до джерела живлення 1, індуктивного накопичувана енергії 2, діода 3 і конденсатора 6, комутуючий елемент 4 (IGBT) та комутуючий елемента 5 (MOSFET) з'єднані між собою паралельно і включений між точкою з'єднання накопичувача енергії 2 з діодом 3 і загальною шиною. Графік показує залежність протікання струму від часу I IGBT=f(t) і IMOSFET=f(t), де на вісі абсцис 14 вказано час а на ординаті 13 струм який протікає через транзистори. На графіку фіг. 2 ділянка 7 показує протікання струму через ключ 4 (IGBT) а ділянка 8 показує протікання струму через ключ 5 (MOSFET). На ділянці 9 показано спадаючий струм, який протікає через комутуючий елемент 4, (IGBT). На ділянці 11 відображено струм, який протікає через комутуючий елемент 5, (MOSFET). На ділянці 10 вказано "струмовий хвіст" 4-го ключа (IGBT). На ділянці 12 вказано струм 5-го ключа (MOSFET), який спадає до нуля. Робота корисної моделі складається з двох циклів протікання струму: В момент часу коли напівпровідникові ключі 4 та 5 замкнуті де на графіку фіг. 2 ділянка 7 показує протікання струму через ключ 4 (IGBT) а ділянка 8 показує протікання струму через ключ 5 (MOSFET), струм 1 UA 116535 U 5 10 15 протікає від джерела живлення 1 на котушку індуктивності 2, накопичуючи енергію магнітного поля. Під час другого циклу ключі 4 та 5 розмикається. Першим, у відповідності до розробленого авторами алгоритмом, розмикається 4 ключ, (IGBT), струм по чина спадати як показано на 9 ділянці графіка фіг. 2, що призводить до того, що струм майже повністю проходить через ключ 5 (MOSFET), який спостерігається на ділянці 11 графіка фіг. 2, при цьому "струмовий хвіст" 4-го ключа (IGBT), який показано на ділянці 10 графіка фіг. 2, спостерігається при напрузі, що є близькою до нуля, оскільки паралельно до нього включено відкритий ключ 5. Після невеликої паузи, що визначається часом розряду IGBT та залежить від частоти комутації, виконується розмикання ключа 5 і струм спадає до нуля як показано на 12 ділянці графіка фіг. 2. Запасена в магнітному полі енергія котушки 2 витрачається на заряд конденсатора і частина енергії йде до навантаження. Ключі 4 та 5 тим часом замикаються і котушка знову починає накопичувати енергію. У той же час навантаження живиться з конденсатора, а діод не дає струму піти з нього назад у джерело. Технічний результат від використання корисної моделі забезпечує підвищення ефективності перетворення енергії до 19 %, підтримуючи при цьому високу стабільність вихідної напруги. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 Пристрій безтрансформаторного підвищення напруги живлення для електрифікованих видів транспорту з накопичувачами електроенергії, що передбачає послідовне включення до джерела живлення, індуктивного накопичувача енергії, діода і конденсатора, комутуючий елемент біполярний транзистор з ізольованим затвором включений між точкою з'єднання накопичувача енергії з діодом і загальною шиною, який відрізняється тим, що паралельно підключено комутуючий елемент напівпровідниковий польовий транзистор до комутуючого елемента біполярного транзистора з ізольованим затвором між точкою з'єднання накопичувача енергії з діодом і загальною шиною. 2 UA 116535 U Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3