Двотактне інверторне джерело живлення

Реферат: Двотактне інверторне джерело живлення належить до електротехніки і може бути використаний для покращення масогабаритних характеристик інверторних джерел живлення, що мають у своєму складі трансформатор і вихідний випрямляч із дроселем, що згладжує. Джерело складається з двотактного інвертора зі схемою керування, навантаженого на високочастотний прямоходовий трансформатор з випрямлячем, при цьому у вторинний ланцюг введено додатковий випрямляч з підключеним до нього допоміжним перетворювачем. Шляхом керування допоміжним перетворювачем можливо короткочасно, на період перемикання силових ключів двотактного інвертора, знижувати струм основного випрямляча, що значно знижує комутаційні втрати потужності в силових компонентах інвертора. Технічним результатом є забезпечення м'якого перемикання силових ключів двотактного інвертора у всьому діапазоні вихідних струмів джерела - від холостого ходу до короткого замикання, підвищення його ККД, підвищення частоти перемикання інвертора, покращення динамічних властивостей і питомої UA 102641 C2 (12) UA 102641 C2 потужності та зниження габаритів реактивних компонентів інверторного джерела живлення при збереженні рівня комутаційних втрат. UA 102641 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до електротехніки і може бути використаний для покращення масогабаритних характеристик інверторних джерел живлення, що мають у своєму складі трансформатор і вихідний випрямляч із дроселем, що згладжує. Завдання живлення зварювальної дуги визначає характерні вимоги до джерела: підвищена напруга холостого ходу для полегшення запалювання дуги; необхідність стабільної роботи при великих змінах вихідної напруги (довжини дуги); можливість роботи в режимі стабілізації напруги або струму (CV-Constant Voltage або СС - Constant Current); високі ККД і коефіцієнт потужності; висока питома потужність і мала вага. Найбільшою мірою цим вимогам задовольняють джерела живлення з високочастотним перетворенням енергії - інверторні. Переважна більшість інверторних зварювальних джерел будується на основі прямоходового (Forward), напівмостового (Half Bridge) або мостового (Full Bridge) перетворювачів з діодним випрямлячем на вторинній стороні високочастотного трансформатора. Загальним недоліком всіх перерахованих топологій є "жорстке" (при повному робочому струмі) вимкнення силових елементів перетворювача. Спроби "пом'якшити" вимкнення за допомогою введення різного роду снабберних і резонансних ланцюгів призводять до зменшення діапазону стійкої роботи джерела. Відоме технічне рішення двотактного інверторного джерела живлення, в якому для забезпечення підвищеної напруги холостого ходу і полегшення запалювання дуги, а також для підтримки "чергової" дуги застосовується подвійний випрямляч з баластовим струмообмежуючим резистором (Голошубов В.І. Зварювальні джерела живлення. – К.: Арістей, 2005.-448 с). Недоліком пристрою є великі втрати потужності на цьому резисторі. Відоме технічне рішення двотактного інверторного джерела живлення (Dudrik, J. SoftSwitching PS-PWM DC-DC Converter for Arc Welding. - Acta Electrotechnica et Informatica No. 3, Vol. 6, 2006. - Technical University of Kosice, Slovak Republic), в якому послідовно з силовими випрямними діодами включені додаткові MOSFET транзистори, керування якими забезпечує м'яке переключення силових ключів у всьому діапазоні регулювання вихідного струму перетворювача. Недоліком схеми є необхідність застосування двох додаткових активних силових елементів і підвищення втрат потужності в випрямлячі. Відоме технічне рішення двотактного інверторного джерела живлення - прототип (Frohleke N., Schniedermann M. Enhanced analysis and design issues of a 3-level DC/DC converter with zero voltage and zero current switching // 9th European conf. on power electronics and applications (EPE'01), August 2001. - Graz, Austria, 2001. - pp. 1-10.), що містить двотактний інвертор зі схемою керування, до виходу якого підключено первинну обмотку високочастотного трансформатора, вторинну обмотку цього трансформатора підключено до анодів двох діодів вихідного випрямляча, катоди діодів з'єднані між собою і підключені до виходу джерела через дросель, що згладжує, крім того, вторинна обмотка має середній вивід, який утворює середню точку вихідного випрямляча. Для зменшення струму вимикання силових ключів інвертора в схемі застосовується додатковий спеціальний резонансний ланцюг із послідовно з'єднаних конденсатора і транзистора, що включається між середньою точкою вторинної обмотки трансформатора і загальною точкою з'єднання катодів вимпрямних силових діодів. Оскільки елементи резонансного ланцюга включені паралельно силовій частині випрямляча, додаткові втрати потужності в схемі відсутні. Недоліками схеми є: 1) важкість розрахунків параметрів резонансного кола, оскільки в нього входять паразитні елементи схеми (зокрема, індуктивність розсіювання силового трансформатора); 2) параметри резонансного процесу під час перемикання залежать від вихідного струму перетворювача, що призводить до обмеження діапазону регулювання перетворювача. Перший недолік знижує технологічність джерела при серійному виготовленні, другий - обмежує сферу застосування і дещо погіршує динамічні властивості джерела при малому вихідному струмі. В основу винаходу поставлено задачу удосконалити двотактне інверторне джерело живлення, в якому за рахунок внесення нових елементів забезпечується м'яке перемикання силових ключів інвертора у всьому діапазоні вихідних струмів - від холостого ходу до короткого замикання, що дозволить підвищити ККД джерела, підвищити частоту перемикання інвертора, покращити динамічні властивості і питому потужність. Для рішення поставленої задачі в двотактному інверторному джерелі живлення, що містить двотактний інвертор зі схемою керування, до виходу якого підключено первинну обмотку високочастотного трансформатора, вторинна обмотку цього трансформатора виконана з відводом від середини, крайні її виводи підключені до анодів двох діодів вихідного випрямляча, катоди діодів з'єднані між собою і підключені до виходу джерела через дросель, що згладжує, 1 UA 102641 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 відповідно до винаходу, в схему додатково введені допоміжний випрямляч із двох діодів, LCфільтр, понижуючий перетворювач, який складається з послідовно з'єднаних транзистора і діода, додаткові дросель і діод, при цьому в трансформатор введені дві додаткові обмотки, які підключені до кінців вторинної обмотки і з'єднані згідно послідовно з нею, до вільних виводів додаткових обмоток підключені аноди діодів допоміжного випрямляча, катоди цих діодів з'єднані між собою і через LC-фільтр підключені до понижуючого перетворювача, вихід якого, утворений загальною точкою з'єднання транзистора і катода діода, через додатковий дросель підключено до точки з'єднання катодів діодів вихідного випрямляча, анод діода підключено до середньої точки вторинної обмотки трансформатора, крім того, катод додаткового діода підключено до катодів діодів вихідного випрямляча, а анод - до середньої точки вторинної обмотки трансформатора. Суть винаходу пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 наведено блок-схему двотактного інверторного джерела живлення, на фіг. 2 - його електричну схему, на фіг. 3 - діаграму струмів і напруг при реалізації "м'якого" перемикання. Розглянемо приклад реалізації пристрою. Схема складається з двотактного інвертора 1 зі схемою керування 2, до виходу якого підключено первинну обмотку високочастотного трансформатора 3 (Т1, фіг. 2), вторинна обмотка цього трансформатора виконана з відводом від середини, крайні її виводи підключені до анодів двох діодів вихідного випрямляча 4 (VD1, VD2 80EBU02, фіг. 2), катоди діодів з'єднані між собою і підключені до виходу джерела через дросель 5 (L3 11 мкГн 80А, фіг. 2), що згладжує, в трансформатор Т1 введені дві додаткові обмотки, які підключені до кінців вторинної обмотки і з'єднані згідно послідовно з нею, до вільних виводів додаткових обмоток підключений допоміжний випрямляч 6 із двох діодів (VD3, VD4 30CPF04, фіг. 2), аноди яких підключено до її крайніх виводів, катоди з'єднані між собою і через LC-фільтр 7 (L1 160 мкГн 10А, СІ 10+10мкФ 250В, фіг. 2) підключені до введеного в схему понижуючого перетворювача 8, який складається з послідовно з'єднаних транзистора (VT1 IRFS4010-7P, фіг. 2) і діода (VD5 80CPQ150, фіг. 2), вихід цього перетворювача, утворений загальною точкою з'єднання транзистора і катода діода, через додатковий дросель 9 (L2 1 мкГн 80А, фіг. 2) підключено до точки з'єднання катодів діодів вихідного випрямляча, анод діода підключено до середньої точки вторинної обмотки трансформатора, крім того, в схему введено діод (VD6 80CPQ150, фіг. 2), катод якого підключено до катодів діодів вихідного випрямляча, а анод - до середньої точки вторинної обмотки трансформатора. Топологія схеми, наведена на фіг. 2, дозволяє реалізувати режим "м'якого" вимикання силових ключів інвертора. Для цього необхідно перед вимиканням силових ключів інвертора знизити струм вихідного випрямляча. Діаграма цього процесу наведена на фіг. 3, де UTI напруга на первинній обмотці трансформатора ТІ; ІTI - струм первинної обмотки ТІ; ІTI - струм первинної обмотки ТІ; UGS_UTI - напруга "затвор-витік" VT1; IL2 - струм дроселя L2; IR - струм вихідного випрямляча; ІL3 - струм навантаження; UR - напруга вихідного випрямляча; UCI напруга на конденсаторі С1. В момент часу t1 відкривається транзистор VT1. Струм дроселя L2 починає лінійно наростати зі швидкістю, що визначається його індуктивністю і різницею напруг на конденсаторі СІ і напруги вихідного випрямляча. З цією ж швидкістю спадатиме струм діодів вихідного випрямляча. В момент часу t2 струм IR досягає нуля, струм навантаження при цьому буде протікати по колу: L3 - "+ навантаження" - "-навантаження" - СІ - VT1-L2, а діоди VD1 і VD2 будуть перебувати під зворотним зміщенням. Трансформатор Т1 в цей час опиниться в режимі холостого ходу, що і дозволяє провести вимкнення силових ключів інвертора в момент часу t3 при зниженому струмі. В момент часу t4 закривається транзистор VT1. Струм IL2 перекидається в діод VD5. Струм навантаження проходить через VD5 та послідовно з'єднані дроселі L2 і L3. В момент часу t5 відкриваються силові ключі інвертора і напруга UTI змінює свій знак. Струм IL2 лінійно спадає зі швидкістю –UR/L2 і на момент часу t6 досягає нуля. Струм IR дорівнює вихідному струму навантаження IL3. Схема повернулася до початкового стану. Наявність дроселя L2 забезпечує "м'яке" включення VT1 і контрольовану швидкість наростання струму в ньому, що дозволяє знизити імпульсні перевантаження компонентів схеми і оптимально вибрати режим зворотного відновлення VD1, VD2. При нормальній роботі схеми на конденсаторі СІ підтримується напруга UCI=65-80 В, напруга UR становить 32-40 В. За цих умов швидкість спадання струму в силових діодах VD1, VD2 становить близько 40 А/мкс, що визначає м'яке їх відновлення. Оптимальним є вибір швидкості спадання струму в межах 50-200 А/мкс, залежно від типу діодів VD1, VD2. 2 UA 102641 C2 5 10 15 20 25 При необхідності підвищення вихідної напруги (на холостому ході) понижуючий перетворювач повністю вводиться в роботу, при цьому діоди основного випрямляча замикаються зворотною напругою. Забезпечення режимів м'якого перемикання силових ключів інвертора дозволить підвищити ККД джерела живлення. Крім того, м'яке перемикання дає можливість підвищення частоти комутації, що дозволить покращити динамічні властивості джерела, підвищити питому потужність і знизити габарити реактивних компонентів джерела при збереженні рівня комутаційних втрат. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Двотактне інверторне джерело живлення, що містить двотактний інвертор зі схемою керування, до виходу якого підключено первинну обмотку високочастотного трансформатора, вторинна обмотка цього трансформатора виконана з відводом від середини, крайні її виводи підключені до анодів двох діодів вихідного випрямляча, катоди діодів з'єднані між собою і підключені до виходу джерела через дросель, що згладжує, яке відрізняється тим, що в схему додатково введені допоміжний випрямляч із двох діодів, LC-фільтр, знижуючий перетворювач, який містить послідовно з'єднаний транзистор і діод, додаткові дросель і діод, при цьому в трансформатор введені дві додаткові обмотки, які підключені до кінців вторинної обмотки і з'єднані згідно послідовно з нею, до вільних виводів додаткових обмоток підключені аноди діодів допоміжного випрямляча, катоди цих діодів з'єднані між собою і через LC-фільтр підключені до знижуючого перетворювача, вихід якого, утворений загальною точкою з'єднання транзистора і катода діода, через додатковий дросель підключено до точки з'єднання катодів діодів вихідного випрямляча, анод діода підключено до середньої точки вторинної обмотки трансформатора, крім того, катод додаткового діода підключено до катодів діодів вихідного випрямляча, а анод - до середньої точки вторинної обмотки трансформатора. 3 UA 102641 C2 Комп’ютерна верстка І. Сквоцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4