Высокочастотный квазирезонансный преобразователь напряжения с полной волной тока резонансного цикла

Изобретение относится к преобразовательной технике и может найти применение в автономных системах электроснабжения, в частности во вторичных источниках питания. Преобразователь напряжения содержит ключевой элемент на основе МДП-транзистора, сток которого соединен с первичным источником электропитания, а исток - с выводом индуктивного элемента с нелинейной зависимостью индуктивности от протекающего тока, эти элементы зашунтированы диодом с барьером Шоттки так, что катод диода соединен со стоком силового МДП-транзистора, а анод - со вторым выводом индуктивного элемента и одним из выводов индуктивности резонансного контура, другой вывод которой соединен с потенциальной обкладкой конденсатора резонансного контура, присоединенной к выводу индуктивности выходного фильтра и к катоду обратносмещенного рекуперативного диода. Второй вывод индуктивности выходного фильтра соединен с потенциальной обкладкой конденсатора выходного фильтра, анод рекуперативного диода и другие обкладки конденсаторов резонансного контура и выходного фильтра объединены и присоединены к общей шине преобразователя. Вход преобразователя напряжения подключен к первичному источнику электроэнергии, а выход - к сопротивлению нагрузки. Новым в устройстве является введение индуктивного элемента с нелинейной зависимостью индуктивности от протекающего тока. Технический результат: повышение КПД преобразователя напряжения за счет снижения динамических потерь путем устранения процесса обратного восстановления встроенного в полевой МДП-транзистор диода. 4 ил.

 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может найти применение в автономных системах электроснабжения, в частности во вторичных источниках электропитания.

Известны устройства аналогичного назначения - преобразователи напряжения (ПН) с прямоугольной формой напряжения и тока и широтно-импульсной модуляцией [Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. М.: Техносфера, 2005, с.632, Wuidart, L. Topologies for switched-mode power supplies. STM Aplication Note, 1999, p.18], к недостаткам которых следует отнести: невозможность улучшения энергетических характеристик без повышения быстродействия ключевых элементов (КЭ), уменьшения падения напряжения на КЭ в открытом состоянии. Такая тенденция усилит влияние паразитных реактивных составляющих реальной схемы, т.е. увеличение скорости изменения напряжения на коллекторе (стоке) КЭ приведет к увеличению коммутационных помех, наложенных на выходное напряжение ПН.

Из известных устройств наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому является квазирезонансный ПН с полной волной тока резонансного цикла с частотно-импульсной модуляцией [R.W.Erickson Fundamentals of Power Electronics First Edition New York: Chapman and Hall, May 1997. 791 pages, 929 line illustrations], принятый за прототип. Данный тип ПН содержит КЭ, реализованный на одном силовом МДП-транзисторе, включенном последовательно между первичным источником электроэнергии (ПИЭ) и цепью, содержащей последовательно включенные: резонансный контур (РК), содержащий резонансный индуктивный элемент Lp, один из выводов которого подключен к истоку силового МДП-транзистора, а другой вывод - к резонансному конденсатору Ср, параллельно которому включен обратносмещенный диод, к катоду которого подключен выходной LфСф - фильтр.

Основным недостатком указанного прототипа является то, что при запирании КЭ на основе МДП-транзистора в момент пересечения тока индуктивности РК через ноль отпирается встроенный в МДП-транзистор обратный диод, через который протекает отрицательная полуволна тока резонансного цикла, по завершении которого накопленный в диоде диффузионный заряд расходуется на тепловые потери - происходит процесс обратного восстановления встроенного в МДП-транзистор диода и, как следствие, увеличение потерь мощности и ограничение частоты преобразования. Традиционным решением данной проблемы является введение дополнительного шунтирующего диода с барьером Шоттки с таким же блокирующим напряжением, что и МДП-транзистор. Как показали эксперименты, при использовании полупроводниковых приборов с блокирующим напряжением более 100В данный способ не позволяет полностью исключить протекание тока через встроенный в МДП-транзистор диод, что отражает фиг.2, где I(t), I1(t) и I2(t) - токи, протекающие через МДП-транзистор, диод, встроенный в МДП-транзистор, и диод Шоттки соответственно.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - снижение потерь в МДП-транзисторе при одновременном повышении частоты коммутации, за счет чего возможно увеличение удельной мощности и КПД.

Поставленная задача решается тем, что в высокочастотный квазирезонансный преобразователь напряжения с полной волной тока резонансного цикла введен индуктивный элемент с нелинейной зависимостью индуктивности от протекающего тока, один вывод которого подключен к истоку ключевого элемента на основе МДП-транзистора, а другой - к выводу индуктивности РК. Ключевой элемент и введенный индуктивный элемент зашунтированы диодом с барьером Шоттки таким образом, что катод диода соединен со стоком силового МДП-транзистора, а анод приходит в точку соединения выводов индуктивного элемента РК и вновь введенного индуктивного элемента. Второй вывод индуктивности РК подключен к потенциальной обкладке конденсатора РК, присоединенной к катоду обратносмещенного рекуперативного диода и выводу индуктивности выходного фильтра, другой вывод которой соединен с потенциальной обкладкой конденсатора выходного фильтра, а анод рекуперативного диода и другие обкладки конденсаторов резонансного контура и выходного фильтра объединены и присоединены к общей шине преобразователя. Вход преобразователя напряжения подключен к первичному источнику электроэнергии, а выход - к сопротивлению нагрузки.

На фиг.1 приведена схема заявляемого устройства. На фиг.3 - временные диаграммы работы заявляемого устройства.

Заявляемое устройство состоит из блока управления 3, выводы которого подключены к затвору и истоку МДП-транзистора 2, сток МДП-транзистора 2 соединен с ПИЭ 1, а исток - с выводом индуктивного элемента с нелинейной зависимостью индуктивности от протекающего тока 5, эти элементы зашунтированы диодом с барьером Шоттки 4 так, что катод диода 4 соединен со стоком силового МДП-транзистора 2, а анод - с точкой соединения выводов индуктивных элементов 5 и 6. Второй вывод индуктивного элемента РК 6 присоединен к потенциальной обкладке резонансного конденсатора 7, параллельно которому включен обратносмещенный рекуперативный диод 8, к катоду которого подключен один из выводов индуктивности выходного фильтра 9, а к другому выводу - потенциальная обкладка конденсатора выходного фильтра 10, параллельно которому подключено сопротивление нагрузки 11. Анод диода 8 и другие обкладки конденсаторов резонансного контура 7 и выходного фильтра 10 объединены и присоединены к общей шине преобразователя.

Устройство работает следующим образом: первоначально МДП-транзистор 2 закрыт. Выходной ток течет за счет энергии, запасенной в индуктивности выходного фильтра 9. В некоторый момент времени, определяемый устройством управления 3, МДП-транзистор 2 открывается. Колебательный контур, образованный индуктивными элементами 6, 5 и конденсатором 7 начинает получать энергию от ПИЭ 1, при этом индуктивный элемент 5 имеет значение индуктивности, существенно меньшее, чем элемент 6, и уменьшается с увеличением тока, таким образом, что при значениях тока более 10% от тока нагрузки значение индуктивного элемента 5 становится пренебрежимо малым. Заряд конденсатора 7 и последующий его разряд будут происходить по закону, близкому к синусоидальному, с частотой, равной резонансной частоте контура 6-7. Одновременно ток в индуктивности 6 также будет изменяться по синусоидальному закону - вначале увеличиваться, затем уменьшаться, причем положительная полуволна тока протекает через открытый канал МДП-транзистора 2, когда этот ток уменьшится до нуля, транзистор 2 запирается по сигналу устройства управления КЭ 3, которое синхронизируется с переходом тока РК через нулевое значение. При значениях тока, близких к нулевому, индуктивный элемент 5 принимает значение порядка 20-25% от значения индуктивного элемента 6. Таким образом, когда ток вследствие продолжающегося резонансного процесса меняет знак, при малых его значениях на индуктивном элементе падает некоторое напряжение, которое в сумме с прямым падением напряжения на встроенном в МДП-транзистор диоде имеет большее значение, чем прямое падение напряжения на диоде Шоттки 4. Вследствие чего основная часть тока отрицательной полуволны протекает через диод 4, как показано на экспериментальных осциллограммах на фиг.3. Когда ток через индуктивный элемент 6 становится равным нулю, запирается диод 4, и выходной ток течет через индуктивность выходного фильтра 9 и конденсатор 7, который быстро разряжается. Как только он разрядится до нуля, открывается диод 8. На этом один резонансный цикл заканчивается, и с открыванием КЭ начинается следующий. На фиг.3 изображены осциллограммы токов, протекающих через индуктивный элемент 6 - I(t), канал МДП-транзистора 2 - I3(t), диод Шоттки 4 - I2(t), встроенный в МДП-транзистор 2 диод - I1(t), и сигнал управления МДП-транзистором - Uупр(t).

Был изготовлен и испытан экспериментальный образец, в котором индуктивный элемент с нелинейной зависимостью индуктивности от протекающего тока выполнен в виде вывода истока МДП-транзистора с надетым на него сердечником тороидальной формы из феррита 2000НМ, имеющим габаритные размеры D=4 мм, d=2 мм, n=1 мм. Данный индуктивный элемент рассчитывается таким образом, чтобы магнитопровод входил в насыщение при токе порядка 10-15% от максимального тока нагрузки (Iнмакс) при условии, что Iнмакс определяется из (Iнмакс*(Lр/Ср)0,5/Uвх=0,9-0,95, при этом максимальное значение индуктивности (при токе резонансного контура, близком к нулю) должно составлять 20-25% от значения индуктивности основного индуктивного элемента РК. Индуктивность РК 6 составила 1,06 мкГн и емкость РК 7-22 нФ. В качестве ключевого элемента 2 использован МДП-транзистор IRFB61N15D, диод 4 - 20CTQ150, емкость выходного фильтра 10 составила 22,2 мкФ, индуктивность выходного фильтра 9-45 мкГн. На фиг.4 представлены экспериментальные кривые КПД высокочастотного квазирезонансного ПН с полной волной тока резонансного цикла, полученные при изменении выходной мощности, где кривая 1 соответствует КПД заявляемого устройства, кривая 2 - КПД его прототипа при стабилизированном выходном напряжении 24В и входном напряжении 80B при прочих равных условиях в диапазоне частоты коммутации от 357 до 375 кГц.

Высокочастотный квазирезонансный преобразователь напряжения с полной волной тока резонансного цикла, содержащий ключевой элемент на основе МДП-транзистора, сток которого подсоединен к первичному источнику электропитания, а исток соединен с одним выводом индуктивного элемента резонансного контура, другой его вывод подключен к потенциальной обкладке конденсатора резонансного контура, присоединенной к катоду обратносмещенного рекуперативного диода и выводу индуктивности выходного фильтра, другой вывод которой соединен с потенциальной обкладкой конденсатора выходного фильтра, а анод рекуперативного диода и другие обкладки конденсаторов резонансного контура и выходного фильтра объединены и присоединены к общей шине преобразователя, отличающийся тем, что между истоком силового МДП-транзистора и выводом индуктивного элемента резонансного контура введен дополнительный индуктивный элемент с нелинейной зависимостью индуктивности от протекающего тока и диод с барьером Шоттки, катод которого соединен со стоком силового МДП-транзистора, а анод - с точкой соединения выводов индуктивного элемента резонансного контура и вновь введенного индуктивного элемента.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройству источника питании и к транспортному средству с устройством источника питания. .

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах питания транспортных средств. .

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение другой величины и может быть использовано для согласования источника постоянного напряжения с нагрузкой.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразовательной технике. .

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в топологической схеме мягкой коммутации. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в источниках вторичного электропитания устройств радиотехники, автоматики и вычислительной техники

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления преобразователями

Изобретение относится к силовым преобразователям для транспортных средств. Преобразователь питания в системе электропривода транспортного средства содержит источник электропитания, электрогенератор и силовой преобразователь постоянного тока, электрически соединенный с источником электропитания и электрогенератором. Индуктор и первый переключатель расположены на различных параллельных линиях тока, соединяющих источник электропитания и электрогенератор. Преобразователь питания также содержит второй и третий переключатели, причем первый переключатель подключен между индуктором и вторым переключателем, а силовой преобразователь постоянного тока повышает или понижает входное напряжение при выборочном замыкании или размыкании второго и третьего переключателей. Достигается упрощение конструкции преобразователя. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в источниках вторичного электропитания в качестве преобразователя постоянного напряжения в постоянное. Техническим результатом является увеличение надежности и повышение коэффициента полезного действия. Двухтактный обратноходовой преобразователь постоянного напряжения в постоянное содержит первичную обмотку первого трансформатора, конец которой соединен со стоком первого МОП-транзистора с n-каналом и с встроенным диодом, исток которого соединен с отрицательным полюсом входного напряжения, а затвор которого является входом для управляющего сигнала Uупр1; начало первичной обмотки второго трансформатора соединено с истоком второго МОП-транзистора с n-каналом и с встроенным диодом, сток которого соединен с положительным полюсом входного напряжения, а затвор является входом для управляющего сигнала Uупр2. Один вывод накопительного конденсатора соединен между концом первичной обмотки первого трансформатора и стоком первого МОП-транзистора с n-каналом и с встроенным диодом, второй вывод которого соединен между началом первичной обмотки второго трансформатора и истоком второго МОП-транзистора с n-каналом и с встроенным диодом. Начало вторичной обмотки первого трансформатора соединено с отрицательным выводом нагрузки, конец которой соединен с анодом первого выпрямительного диода, катод которого соединен с положительными выводами нагрузки, выходного конденсатора, отрицательный вывод которого соединен с отрицательным выводом нагрузки. Начало вторичной обмотки второго трансформатора соединено с отрицательным выводом нагрузки, конец которой соединен с анодом второго выпрямительного диода, катод которого соединен с положительным выводом нагрузки. 2 ил.

Понижающий преобразователь постоянного напряжения относится к электротехнике (к силовой электронике) и может быть использован как высоковольтный dc-dc конвертор средней мощности в системах электрооборудования постоянного тока, например, для электровозов постоянного тока напряжением 3(1.5) кВ для питания от контактной сети с повышенным напряжением (12(6) кВ, 18(9) кВ и т.д.). Преобразователь постоянного напряжения состоит из К преобразовательных ячеек и входного сглаживающего фильтра, образованного соединением фильтрового реактора и конденсатора. В состав одной ячейки входят два ключа с полным управлением со встречно-параллельным диодом, два резонансных LC-звена. Преобразовательные ячейки включены каскадно так, что два выхода предыдущей ячейки связаны с двумя входами последующей ячейки. Два развязывающих диода и два транзистора на выходе преобразователя нужны для ограничения влияния работы друг на друга контуров питания нагрузки. Предлагаемый модифицированный понижающий преобразователь постоянного напряжения по сравнению с прототипом содержит в два раза меньшее количество ячеек. 3 ил.

Изобретение относится к транспортным средствам. Транспортное средство содержит блок управления мощностью, имеющий по меньшей мере одно из инвертора и преобразователя; приводной электромотор и основную часть кожуха, в которой размещен блок управления мощностью. Элемент, который соединен с основной частью кожуха, когда этот элемент изолирован от основной части кожуха или когда электрическое сопротивление между элементом и основной частью кожуха является большим. Антистатическое устройство нейтрализует и устраняет положительные заряды на указанном элементе и понижает положительный потенциал элемента посредством саморазряда, для формирования отрицательных аэроионов в воздухе, согласно положительному потенциалу указанного элемента, являющегося электростатически заряженным. Устраняется статическое электричество блока подачи электрической мощности. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в источнике питания и в устройстве, содержащем источник питания. Техническим результатом является обеспечение подвода требуемой мощности даже в режиме ожидания. Источник питания содержит схему резонанса токов, выполненную с возможностью управления трансформатором; к первичной стороне которого подключен резонансный контур с коммутационным элементом, выполненным с возможностью периодически повторяемых включения и отключения, а также контроллер, выполненный с возможностью управления коммутационным элементом так, что коммутационный элемент работает в непрерывном режиме, при котором он выполняет непрерывно повторяемые включение и отключение, или в прерывистом режиме, при котором он выполняет повторяемые с перерывами включение и отключение, в соответствии с внешним сигналом, указывающим на работу в непрерывном режиме или в прерывистом режиме. Источник питания также содержит индикатор напряжения, выполненный с возможностью определения напряжения на вторичной стороне трансформатора, и коммутационный блок, выполненный таким образом, что в прерывистом режиме работы коммутационного элемента, установленном контроллером в соответствии с внешним сигналом, указывающим на работу в прерывистом режиме, и при выявлении индикатором напряжения падения напряжения ниже заданного значения первого порогового напряжения он воздействует на контроллер, обеспечивая перевод коммутационного элемента в непрерывный режим работы. 4 н. и 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

Использование – в области электротехники. Технический результат – повышение эффективности зарядки. Согласно изобретению зарядное устройство содержит: цепь заряда, цепь накопления энергии и управляемый ключ, причем цепь заряда сконфигурирована для зарядки заряжаемого объекта, цепь накопления энергии сконфигурирована для накопления энергии, когда цепь заряда заряжает заряжаемый объект, и зарядки заряжаемого объекта, когда цепь заряда выключена, и управляемый ключ сконфигурирован так, чтобы поочередно включать и выключать цепь заряда согласно управляющим командам, принимаемым периодически, выключать цепь накопления энергии, когда цепь заряда включена, и включать цепь накопления энергии, когда цепь заряда выключена. Кроме того, описывается способ зарядки упомянутым выше зарядным устройством. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники, в частности к понижающим преобразователям электрического напряжения. Технический результат – упрощение переключающего контроллера за счет ограничения размаха напряжения на затворе п-канального полевого транзисторного переключателя. Понижающий преобразователь напряжения (100) для генерации положительного постоянного (DC) выходного напряжения (VOUT) из положительного постоянного (DC) входного напряжения (VIN), содержит n-канальный полевой транзисторный (ПТ) (Q1) переключатель (111), содержащий вывод (112) стока и вывод (114) истока, при этом вывод (114) истока переключателя (111) электрически соединен с выходным напряжением (VOUT), диод (117), содержащий анод (118) и катод (120), причем катод (120) диода электрически соединен с выходным напряжением (VOUT), первый индуктор (124), электрически соединяющий вывод (112) стока переключателя (111) с входным напряжением (VIN), при этом первый индуктор (124) содержит первую обмотку двухобмоточного трансформатора, второй индуктор (126), находящийся в магнитной связи с первым индуктором (124), причем второй индуктор (126) электрически соединяет анод (118) диода (117) с опорным напряжением (128), при этом второй индуктор (126) содержит вторую обмотку двухобмоточного трансформатора, при этом только первый индуктор (124) и второй индуктор (126) намотаны на ферритовый сердечник (222), и переключающий контроллер (110), соединенный с выходным напряжением (VOUT) и сконфигурированный для управления переключателем (111) посредством вывода затвора (216) полевого транзистора (ПТ) (Q1), причем переключающий контроллер (110) сконфигурирован для управления переключателем (111) путем включения и выключения переключателя (111), преимущественно периодически, так что ток не протекает с выхода переключающего контроллера (110) к выходному напряжению. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может найти применение в автономных системах электроснабжения, в частности во вторичных источниках питания

Наверх