Конверторы с переключающимися конденсаторами
Другой тип повышающих конверторов есть конверторы, содержащие источники переменного напряжения с умножителями напряжения, т. е. AC-DC конверторы. Были разработаны методы формального синтеза таких диодноконденсаторных умножителей напряжения, в том числе и при питании от источника тока
При исходном источнике постоянного напряжения перед умножителем необходимо добавить конвертор постоянного напряжения в переменное или импульсное напряжение. Такие схемы я привел на скриншоте ниже, на нем вы можете увидеть:
- схемы с сетевым трансформатором и умножителем Кокрофт-Уолта (Cochcroft-Walter),
- с входным однотактным и двухтактным повышающими преобразователями, обеспечивающими возможность регулирования выходного напряжения.
На всех диодах и конденсаторах, кроме выходного, действует двойная амплитуда входного напряжения.
В радиотехнике такие схемы считаются как диодно-конденсаторные схемы умножителей напряжения как схемы с переключающимися конденсаторами.
Введенный термин “переключающиеся конденсаторы” подчеркивает то обстоятельство, что диодные цепи заряда и разряда конденсаторов переключаются в соответствии с протекающими электромагнитными процессами в них, независимо от управления. Используемый повсеместно термин “переключаемые конденсаторы” характеризует принудительное переключение их с помощью управляемых ключей - транзисторов.
Общей особенностью всех классических безиндуктивных DC-DC конверторов является ограничение токов перезаряда конденсаторов сопротивлениями потерь ключей и конденсаторов, что определяет большие потери и низкий КПД (типично в районе 0.6-0.8). Это, как правило, ограничивает мощности таких конверторов на уровне единиц или десятков ватт.
Конверторы с переключаемыми конденсаторами как и конверторы с переключающимися конденсаторами стали вполне популярны на Западе для DC- DC преобразования. Для определения потерь проводимости в таких конверторах часто используется концепция эквивалентного внутреннего сопротивления конвертора. Для расчета этого сопротивления разработано множество методик.
Но эти методики не учитывают влияния распределенной (паразитной) индуктивности. В то же время, тенденции увеличения частоты коммутации в конверторе увеличивают влияние распределенной индуктивности, делая коммутацию квази-жесткой, что оказывает заметное влияние на характеристики конвертора.
Появились современные исследования, направленные на учет этой индуктивности. Хотя более радикальным решением является переход к мягкой коммутации, принудительно обеспечиваемой введением самостоятельных реакторов
Схемы конверторов с режимами мягкой коммутации
Радикальным способом уменьшения потерь в элементах схемы является использование режимов мягкой коммутации. Это позволяет теоретически обеспечивать коммутацию транзисторов при нулевых значениях токов и напряжений в моменты коммутации, т. е. без потерь мощности на коммутацию. Остаются только потери проводимости в транзисторах и конденсаторах, которые обычно на порядок меньше, что позволяет поднять КПД до уровней 0.97-0.98 и выше.
В результате становится возможным построение конверторов на мощности до сотен и даже тысяч киловатт. Развивается схемотехника DCDC конверторов за счет применения принципов модульности, многотактности, многофазности, многоуровневости.
Предлагались безиндуктивные схемы заряда переключаемых конденсаторов с уменьшенными потерями. Но увеличивается количество транзисторов, а также исключается общность шины входа и выхода. Как схема Аркадьева-Маркса явилась началом построения систем с переключаемыми конденсаторами с жестким переключением, так и схема генератора R. A. Fitch, называемая схемой генератора Маркса с резонансным способом передачи заряда, явилась, похоже, началом построения систем с переключаемыми конденсаторами с мягкими переключениями.
Открывшаяся перспектива эффективного применения конверторов с переключением конденсаторов привела к интенсивной генерации их схем, использующих мягкую коммутацию.
Появились как схемы с мягкой коммутацией на основе прямой модернизации классических схем, использующих переключение конденсаторов, так и множество новых схем, изначально ориентированных на резонансную коммутацию.
Новые схемы, изначально ориентированные на резонансную коммутацию.
Важные схемы N-кратных повышающих многоуровневых многомодульных DC-DC конверторов с коммутациями при нулевом токе для N- нечетного (а) и N-четного (б):
Но в схеме нет режима рекуперации и отсутствует общая шина между входом и выходом. Вместо реакторов предлагается использовать распределенную индуктивность монтажа, что усложняет конструкцию и настройку конвертора.
Возможен режим рекуперации и произвольное четное число коэффициента преобразования. Но вход и выход не имеют общей шины.
Возможна двунаправленная работа конвертора. Управление транзисторами взаимно дополнительное у верхних и нижних с скважностью 0.5, в результате схема имеет два состояния. При этом, каждое состояние разделяется на три последовательных интервала
Использование тиристоров в качестве ключей позволяет увеличить
мощность на выходе в проекте до 2.5 МВт, но ограничивает частоту коммутации величиной 2 кГц. В отличие от известных схем такого типа, здесь разряды конденсаторов накачки происходят поочередно.
