Статический преобразователь с квазирезонансной коммутацией тока

 

Изобретение относится к источникам питания со звеном повышенной частоты и предназначено для питания потребителей, имеющих длительные режимы холостого хода, например сварочные аппараты, агрегаты бесперебойного питания. Целью изобретения является снижение загрузки силовых элементов преобразователя и потерь при работе в режиме холостого хода. Для этого в преобразователь, содержащий два последовательно соединенных источника питания постоянного тока, последовательную резонансную LC-цепь, которая одним концом с помощью управляемых вентилей, шунтированных диодами, подключается к свободным полюсам источников питания, а другим соединена с их общей точкой, а также нагрузку, подключенную к конденсатору резонансной цепи непосредственно или через согласующий трансформатор, дополнительно вводят дросель или последовательную LC-цепочку, подключенные параллельно конденсатору резонансной цепи и образующие с ним дополнительный колебательный контур. Применение дросселя целесообразно для бестрансформаторной схемы, а последовательная LC-цепочка - для схем с использованием согласующего трансформатора.

Изобретение относится к преобразовательной технике и предназначено для использования в качестве источника питания со звеном повышенной частоты.

Областью применения рассматриваемого преобразователя является потребитель, где имеют место длительные режимы холостого хода, например сварочные аппараты, агрегаты бесперебойного питания.

Известны схемы статических преобразователей с последовательным резонансным контуром и квазирезонансной коммутацией тока [1, 2].

Достоинствами таких преобразователей являются бестоковое включение управляемых полупроводниковых переключателей и естественная коммутация. Это обеспечивает высокую надежность коммутации и существенно снижает потери на выключение, что особенно важно при работе на повышенных частотах.

Общим недостатком этих преобразований является однотактное исполнение и получение на выходе только постоянного напряжения.

В качестве прототипа принята схема преобразователя, изображенная на фиг. 10 [2] . В составе преобразователя имеется источник постоянного напряжения, последовательный LC-резонансный контур, подключенный к положительному полюсу источника через управляемый вентиль, шунтированный диодом.

Параллельно конденсатору резонансного контура включена через сглаживающий фильтр нагрузка.

Кроме уже указанных, описанная схема обладает недостатком, заключающимся в том, что силовые ключи и оборудование колебательного контура в режиме холостого хода работают почти в таких же условиях, как и при включенной номинальной нагрузке.

Целью изобретения является снижение загрузки силовых элементов преобразователя и потерь при работе в режиме холостого хода при расширенных функциональных возможностях преобразователя за счет совмещения в нем функций преобразования постоянного питающего напряжения как в постоянное, так и в переменное.

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь вводится второй источник постоянного напряжения, включенный последовательно с первым, и второй управляемый вентиль, шунтированный диодом, через который резонансный контур подключается к отрицательному полюсу второго источника. Кроме того, параллельно конденсатору резонансного контура, подключается дроссель или последовательная LC-цепочка, образующие резонансную цепь.

Применение изобретения позволит уменьшить потери в режиме холостого хода и токовую нагрузку силовых элементов колебательного контура.

На фиг. 1 представлена схема рассматриваемого преобразователя; на фиг. 2 а, б - диаграммы токов и напряжений на силовых элементах при работе схемы без дросселя или LC-цепочки; на фиг. 3 а, б - диаграммы токов и напряжений при включении параллельно конденсатору дросселя; на фиг. 4 а, б - диаграммы токов и напряжений при подключении параллельно конденсатору последовательной LC-цепи.

Рассматриваемый преобразователь состоит из двух встречно-параллельно включенных управляющих вентилей, шунтированных диодами 1, 2, подключенных к двум последовательно соединенным источникам питания 3, 4, причем управляемый вентиль 1 присоединен к "+" источника 3, а управляемый вентиль 2 к "-" источника питания 4. Резонансный контур, состоящий из дросселя 5 и конденсатора 6, размещен между точками соединения вентилей 1 и 2 и источников питания 3 и 4. К зажимам резонансного конденсатора подключается согласующий элемент 7, который может включать в себя согласующий трансформатор, выпрямитель, сглаживающий фильтр. На выходе согласующего элемента 7 подключена нагрузка 8.

Для реализации предмета заявки вводится дополнительный элемент 9, подключенный параллельно конденсатору 6. Элемент 9 может состоять или из дросселя, или последовательной цепочки из дросселя и конденсатора.

Фиг. 2 - 4 иллюстрируют работу преобразователя с параметрами: E_пит 3,4 = 250 В, R_нагр8 = 0,164 Ом, T_{перекл.} = 480 мкс, L5 = 10 мкГн, L9 = 3 мГн (L9 = 8 мГн, C9 = 1,27 мкФ), C6 = 2,1 мкФ, K_тр = 6,7.

Обозначения на рисунках соответствуют: I 12 - суммарный ток через управляемые вентили 1 и 2; U 6 - напряжение на конденсаторе 6; I 8 - ток нагрузки 8; U 8 - напряжение на нагрузке 8.

Принципы работы преобразователя рассмотрим по схеме, изображенной на фиг. 1. Рассмотрим сначала работу схемы без элемента 9. При включении управляемого вентиля 1, происходит сначала заряд конденсатора 6, а при переходе зарядного тока через нуль, разряд конденсатора 6 через дроссель 5 и диод 1, на конденсаторе 6 образуется полуволна напряжения, которая трансформируется через 7 в нагрузку 8.Аналогично происходит процесс при включении управляющего вентиля 2, при этом на конденсаторе 6 образуется полуволна напряжения противоположной полярности.

Собственная частота колебательного контура, образованного дросселем 5 и конденсатором 6 , Частота переключения двухтактного преобразователя F_упр<F/2 с целью обеспечения паузы между рабочими состояниями переключателя.

На фиг. 2, а показаны токи и напряжения в режиме к.з., а на фиг. 2, б в режиме подключения нагрузки.

При подключении элемента 9 параллельно конденсатору 6 (подключается отдельно дроссель) образуется дополнительный колебательный контур, образованный дросселем 9 и конденсатором 6. Собственная частота вновь образованного контура F_рдоп является той частотой F_xx, на которую должен перейти преобразователь в режиме x.x.

F_xx</2.

Физика процесса здесь такова (рассматривается режим x.x.). При включении управляемого вентиля 1 происходит колебательный заряд конденсатора 6 через дроссель 5 (т. к. F_p>>F_pдоп), а затем развиваются собственные колебания на частоте F_xx в контуре L9 и C6. Если частота F_упр = F_xx, то заряд конденсатора 6 от источника питания 3 происходит в противофазе с напряжением на конденсаторе 6 от собственных колебаний на частоте F_{p доп}, т.е. источник питания 3 включается на противо ЭДС, при этом ток 13 от источника питания снижается в соответствии с формулой I₃ = (U₃ - U_C6)/Z_вх где U₃ - напряжение источника питания 3; U_C6 - напряжение на конденсаторе 6; Z_вх - входное сопротивление схемы, относительно зажимов источника питания.

Снижение тока источника питания означает также снижение тока в элементах 1, 2, 5 и снижение потребляемой мощности. На фиг. 3, а показаны процессы в схеме при подключении дросселя 9.

При использовании дополнительного последовательного соединения L9, C9 характер процесса аналогичен вышеописанному (см. фиг. 4, а). Качественное отличие заключается в повышении добротности колебательного контура, образованного L9, C9, C6 и L трансформатора из согласующего элемента 7.

Подбором параметров L9 или L9, C9 можно выбрать оптимальную частоту F_xx.

При подключении нагрузки резко изменяется добротность контура L9, C6 или L9, C9, C6, собственные колебания (на частоте F_рдоп) быстро затухают, кроме того, F_упр>>F_xx и практически отсутствует начальное напряжение на U C6 в момент включения управляемых вентилей 1, 2. Поэтому на рабочих частях (F_упр) при наличии нагрузки заявляемый преобразователь работает как прототип (см. фиг. 2, б, 3, б, 4, б).

Применение дросселя 9 целесообразно для бестрансформаторной схемы в элементе 7, а последовательное соединение дросселя 9 и конденсатора 9 целесообразно для схем с использованием согласующего трансформатора.

Источники информации 1. K.H. Ziu и др. Квазирезонансные преобразователи - топология и характеристики, - IEEE Fransaction on Power Electronics, том PE-2, N 1, 1987, с. 62 - 71.

2. Lee Квазирезонансные преобразователи с переключением при нулевом токе, работающие в двухполупериодном режиме. Патент США N 4720667, кл. 323 - 271.

3. Заявка N 5068591/07 РФ. Статический преобразователь с квазирезонансной коммутацией тока /В. А. Чванов, В.И. Сидоров/ Приоритет от 6.10. 1992, H 02 m 7/519.

Формула изобретения

Статический преобразователь с квазирезонансной коммутацией тока, содержащий источник постоянного напряжения, последовательный резонансный контур, подключенный первым выводом к положительному выводу источника постоянного напряжения через управляемый вентиль, шунтированный диодом, и согласующий элемент с нагрузкой, подключенной параллельно конденсатору последовательного резонансного контура, отличающийся тем, что в него введены второй источник постоянного напряжения, второй управляемый вентиль, шунтированный диодом, и дроссель или последовательная цепочка из дросселя и конденсатора, причем источники постоянного напряжения включены согласно последовательно, последовательный резонансный контур подключен первым выводом к отрицательному выводу второго источника питания через второй управляемый вентиль, дроссель или последовательная цепочка из дросселя и конденсатора включены параллельно конденсатору последовательного резонансного контура, а второй вывод последовательного резонансного контура подключен к общей точке источников постоянного напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4