Резонансный коммутатор (варианты)



Резонансный коммутатор (варианты)
Резонансный коммутатор (варианты)
Резонансный коммутатор (варианты)
Резонансный коммутатор (варианты)
Резонансный коммутатор (варианты)
Резонансный коммутатор (варианты)
Резонансный коммутатор (варианты)
Резонансный коммутатор (варианты)
Резонансный коммутатор (варианты)
Резонансный коммутатор (варианты)

 


Владельцы патента RU 2490775:

Открытое акционерное общество Научно-производственное объединение "ЭНЕРГОМОДУЛЬ" (ОАО НПО "ЭНЕРГОМОДУЛЬ") (RU)

Изобретение относится к силовой электронике, в частности к преобразователям с пониженными динамическими потерями в силовых полупроводниковых ключах, и может быть использовано в схемах импульсных регуляторов постоянного напряжения. Технический результат заключается в снижении напряжения в силовых ключах схемы заявленного устройства. Для этого заявленное изобретение содержит первый ключ (1) с первым встречно-параллельным диодом, второй ключ (2), конденсатор (3) и дроссель (4), в заявленном устройстве второй ключ (2) снабжен встречно-параллельным диодом и включен последовательно с дросселем (4), соединенным последовательно с первым ключом (1), параллельно которому включен конденсатор (3). 4 н.п. ф-лы, 10 ил.

 

Изобретение относится к силовой электронике, в частности к преобразователям с пониженными динамическими потерями в силовых полупроводниковых ключах и может быть использовано в схемах импульсных регуляторов постоянного напряжения.

Известна схема преобразователя, в которой с помощью элементов резонансного LC контура обеспечивается мягкое включение транзисторов при нулевом напряжении (см. патент США №4720668, опубл. 19.01.1988).

Недостатком данного решения является то, что интервал паузы в схеме является фиксированным. При этом регулирование выходного напряжения и мощности в схеме можно производить только частотным методом.

Наиболее близким по технической сути является решение (см. патент США №5262930, опубл. 16.11.1993), включающее в себя первый ключ с первым встречно-параллельным диодом, второй ключ, конденсатор и дроссель, вывод первого ключа, соединенный с анодом первого встречно-параллельного диода, образует отрицательный силовой вывод резонансного коммутатора. При этом второй ключ соединен параллельно с дросселем и узел соединения дросселя с отрицательный узлом второго ключа образует положительный силовой вывод резонансного коммутатора. В данном решении обеспечивается мягкая коммутация ключей при нулевом напряжении, причем отпирание второго ключа позволяет регулировать интервал паузы, за счет временного прерывания резонансного процесса путем шунтирования дросселя. При этом в схеме оказывается возможным широтно-импульсное регулирование выходного напряжения и мощности. Однако в процессе регулирования паузы в параллельной цепи второй ключ - дроссель циркулирует полный ток нагрузки, что увеличивает потери проводимости в схеме. Еще одним недостатком данной схемы является относительная сложность определения момента отпирания второго ключа, поскольку начальный момент его включения зависит от изменения тока нагрузки.

Технический результат устройства по настоящему изобретению заключается в следующем:

1. Регулирование времени паузы в схеме обеспечивается при закрытом состоянии второго ключа, что исключает дополнительные потери проводимости, а сам второй ключ отпирается на относительно короткое время квазирезонансного разряда выходной емкости первого ключа.

2. Отсутствует необходимость контроля момента времени, при котором наступает прерывание резонансного процесса, и тем самым обеспечивается регулирование паузы, поскольку данный момент наступает автоматически за счет односторонней проводимости встречно-параллельного диода второго ключа.

Указанный технический результат достигается в первом варианте осуществления настоящего изобретения благодаря тому, что в резонансном коммутаторе, содержащем первый ключ с первым встречно-параллельным диодом, второй ключ, конденсатор и дроссель, вывод первого ключа, соединенный с анодом первого встречно-параллельного диода, образует отрицательный силовой вывод резонансного коммутатора, в соответствии с первым объектом настоящего изобретения второй ключ снабжен вторым встречно-параллельным диодом и включен последовательно с дросселем, соединенным последовательно с первым ключом, параллельно которому включен конденсатор, при этом вывод второго ключа, соединенный с анодом второго встречно-параллельного диода, образует положительный силовой вывод резонансного коммутатора.

Указанный технический результат достигается во втором варианте осуществления настоящего изобретения благодаря тому, что в резонансном коммутаторе, содержащем первый ключ с первым встречно-параллельным диодом, второй ключ, конденсатор и дроссель, вывод первого ключа, соединенный с анодом первого встречно-параллельного диода, образует отрицательный силовой вывод резонансного коммутатора, в соответствии со вторым объектом настоящего изобретения второй ключ снабжен вторым встречно-параллельным диодом и включен последовательно с первым ключом, параллельно которому включен конденсатор, один вывод дросселя соединен с анодом второго встречно-параллельного диода и образует положительный силовой вывод резонансного коммутатора, а второй вывод дросселя образует дополнительный силовой вывод резонансного коммутатора.

Указанный технический результат достигается в третьем варианте осуществления настоящего изобретения благодаря тому, что в резонансном коммутаторе, содержащем первый ключ с первым встречно-параллельным диодом, второй ключ, конденсатор и дроссель, вывод первого ключа, соединенный с анодом первого встречно-параллельного диода, образует отрицательный силовой вывод резонансного коммутатора, в соответствии с третьим объектом настоящего изобретения второй ключ снабжен вторым встречно-параллельным диодом и включен последовательно с дросселем, другой вывод которого соединен с катодом первого встречно-параллельного диода и выводом конденсатора, другой вывод конденсатора образует дополнительный силовой вывод резонансного коммутатора.

Указанный технический результат достигается в четвертом варианте осуществления настоящего изобретения благодаря тому, что в резонансном коммутаторе, содержащем первый ключ с первым встречно-параллельным диодом, второй ключ, конденсатор и дроссель, вывод первого ключа, соединенный с анодом первого встречно-параллельного диода, образует отрицательный силовой вывод резонансного коммутатора, в соответствии с четвертым объектом настоящего изобретения второй ключ снабжен вторым встречно-параллельным диодом и включен последовательно с первым ключом, один вывод дросселя соединен с анодом второго встречно-параллельного диода и образует положительный силовой вывод резонансного коммутатора, второй вывод дросселя образует первый дополнительный силовой вывод резонансного коммутатора, катод первого встречно-параллельного диода соединен с выводом конденсатора, другой вывод которого образует второй дополнительный силовой вывод резонансного коммутатора.

Изобретение иллюстрируется приложенными чертежами, на которых одинаковые элементы обозначены одними и теми же ссылочными позициями.

На Фиг.1 представлен резонансный коммутатор с коммутацией при нулевом напряжении по первому варианту осуществления.

На Фиг.2 представлен резонансный коммутатор с коммутацией при нулевом напряжении по второму варианту осуществления.

На Фиг.3 представлен резонансный коммутатор с коммутацией при нулевом напряжении по третьему варианту осуществления.

На Фиг.4 представлен резонансный коммутатор с коммутацией при нулевом напряжении по четвертому варианту осуществления.

На Фиг.5 представлена схема ближайшего аналога.

На Фиг.6 представлен резонансный коммутатор с коммутацией при нулевом напряжении по Фиг.1, подключенный к преобразователю постоянного напряжения (импульсному регулятору повышающего типа).

На Фиг.7 представлен резонансный коммутатор с коммутацией при нулевом напряжении по Фиг.2, подключенный к преобразователю постоянного напряжения (импульсному регулятору повышающего типа).

На Фиг.8 представлен резонансный коммутатор с коммутацией при нулевом напряжении по Фиг.3, подключенный к преобразователю постоянного напряжения (импульсному регулятору повышающего типа).

На Фиг.9 представлен резонансный коммутатор с коммутацией при нулевом напряжении по Фиг.4, подключенный к преобразователю постоянного напряжения (импульсному регулятору повышающего типа).

На Фиг.10 представлены осциллограммы полного цикла коммутации в резонансном коммутаторе в соответствии с настоящим изобретением.

Резонансный коммутатор (Фиг.1) содержит: первый ключ 1 и второй ключ 2, каждый из которых имеет одноименный встречно-параллельный диод, а также элементы резонансного контура: конденсатор 3 и дроссель 4. На чертежах показаны также положительный силовой вывод 5 и отрицательный силовой вывод 6.

Конденсатор 3 подключен параллельно, а дроссель 4 последовательно с первым ключом 1, при этом вывод первого ключа 1, соединенный с анодом первого встречно-параллельного диода, подключен к отрицательному силовому выводу 6. Второй ключ 2 включен последовательно в цепь соединения первого ключа 1 и дросселя 4, при этом вывод второго ключа 2, соединенный с анодом второго встречно-параллельного диода, подключен к положительному силовому выводу 5. Как показано на Фиг.2, дроссель 4 может быть выведен из цепи последовательного соединения первого 1 и второго ключа 2, при этом один вывод дросселя 4 соединяется с положительным силовым выводом резонансного коммутатора 5, а второй вывод дросселя 4 образует дополнительный силовой вывод резонансного коммутатора 7. Как показано на Фиг.3, вывод конденсатора 3, ранее подключенный к отрицательному силовому выводу 6, образует дополнительный силовой вывод резонансного коммутатора 8. Как показано на Фиг.4, дроссель 4 может быть выведен из цепи последовательного соединения первого 1 и второго ключа 2, при этом один вывод дросселя 4 соединяется с положительным силовым выводом резонансного коммутатора 5, а второй вывод дросселя 4 образует дополнительный силовой вывод резонансного коммутатора 7, а вывод конденсатора 3, ранее подключенный к отрицательному силовому выводу 6, образует дополнительный силовой вывод резонансного коммутатора 8.

Рассмотрим работу резонансного коммутатора с коммутацией при нулевом напряжении в схеме преобразователя постоянного напряжения в соответствии с Фиг.6.

Пусть в начальный момент времени первый ключ 1 замкнут, а второй ключ 2 разомкнут. Тогда ток дросселя Lф входного фильтра, обозначенный как ток IН нагрузки, протекает по цепи открытого первого ключа 1, дросселя 4 и встречно-параллельного диода второго ключа 2. Напряжение на конденсаторе 3, включенном параллельно первому ключу 1, при этом равно нулю. Диод D закрыт, а выходной фильтр заряжен до постоянного напряжения UВЫХ и обеспечивает передачу энергии в нагрузку Н.

В начале цикла коммутаций происходит запирание первого ключа 1.

1. Интервал заряда конденсатора 3.

При выключении первого ключа 1 ток нагрузки IН начинает протекать через конденсатор 3, вызывая линейное нарастание напряжения на нем и обеспечивая тем самым выключение первого ключа 1 при нулевом напряжении:

U 3 ( t ) = I Н C 3 t ; ( 1 )

где С3 - емкость конденсатора 3; U3 - напряжение на конденсаторе 3.

Через интервал времени Δt1 напряжение на конденсаторе 3 достигает значения UВЫХ и диод D отпирается:

Δ t 1 = U В Ы Х C 3 I Н . ( 2 )

2. Начальный интервал резонанса.

После отпирания диода D в схеме начинается резонансный процесс. При этом в начале периода резонанса напряжение на конденсаторе 3 будет увеличиваться, а ток в дросселе 4 спадать:

U 3 ( t ) = U В Ы Х + I Н ρ k sin ω р t I 4 ( t ) = I Н cos ω р t } ; ( 3 )

где ρ k = L 4 / C 3 - волновое сопротивление резонансного контура; ωр - круговая частота резонанса; I4 - ток дросселя 4; L4 - индуктивность дросселя 4.

При спаде тока дросселя до нуля через интервал времени А?2, встречно-параллельный диод второго ключа 2 запирается, и резонансный процесс автоматически прерывается:

Δ t 2 = π 2 L 4 C 3 ( 4 )

3. Интервал паузы.

При закрытом втором ключе 2 в схеме обеспечивается требуемый интервал паузы.

4. Конечный интервал резонанса.

После отпирания второго ключа 2 в заданный момент времени в соответствии с применяемым методом широтно-импульсного регулирования резонансный процесс возобновляется. При этом в соответствии с системой уравнений (3), напряжение на конденсаторе 3 начинает спадать, а ток дросселя изменяет свое направление и замыкается по цепи открытого второго ключа 2. Через интервал времени Δt3 от момента отпирания второго ключа 2 напряжение на конденсаторе 3 становится равным нулю. При этом отпирается встречно-параллельный диод первого ключа 1, а резонансный процесс завершается:

Δ t 3 = L 4 C 3 ( arcsin ( U В Ы Х I Н ρ k ) + π / 2 ) . ( 5 )

5. Интервал линейного изменения тока дросселя 4.

После отпирания встречно-параллельного диода первого ключа 1 дроссель 4 через находящийся также в открытом состоянии диод D подключается параллельно источнику выходного напряжения на конденсаторе Сф фильтра. При этом ток дросселя 4 начинает линейно изменяться:

I 4 ( t ) = I Н cos [ ω р ( Δ t 2 + Δ t 3 ) ] + U В Ы Х L 4 t . ( 6 )

Для отпирания первого ключа 1 при нулевом напряжении необходимо подать на него импульс управления прежде, чем ток дросселя 4 вновь изменит свое направление.

После изменения направления ток дросселя 4 переходит во встречно-параллельный диод второго ключа 2 и продолжает линейно нарастать, ограничивая скорость изменения тока в первом ключе 1. При этом импульс управления со второго ключа 2 может быть снят.

При достижении током дросселя 4 значения тока нагрузки IН полный цикл коммутаций завершается. Отметим, что в данном цикле была обеспечена мягкая коммутация первого (основного) ключа 1 при нулевом напряжении и мягкая коммутация второго (вспомогательного) ключа 2 при нулевом токе.

Принцип работы резонансного коммутатора не изменяется, если в соответствии со вторым объектом настоящего изобретения дроссель 4 резонансного контура выводится из цепи последовательного соединения первого ключа 1 и второго ключа 2 и с помощью дополнительного силового вывода 7 включается последовательно в цепь диода D (Фиг.7). Это утверждение следует из того факта, что система уравнений, описывающих электрические процессы в схеме, остается неизменной, а ток первого ключа 1 при перемещении дросселя 4 в цепь диода D остается независимой переменной, которая определяется теперь алгебраической суммой тока нагрузки и тока дросселя 4.

Принцип работы резонансного коммутатора не изменяется, если в соответствии с третьим объектом настоящего изобретения вывод конденсатора 3 резонансного контура, ранее подключенный к отрицательному силовому выводу, образует дополнительный силовой вывод 8 и подключается к любому из фиксированных потенциалов схемы, например к источнику выходного напряжения (Фиг.8). Это утверждение следует из того факта, что система уравнений, описывающих электрические процессы в схеме, остается неизменной, а напряжение на первом ключе 1 при подключении вывода конденсатора 3 к любому из фиксированных потенциалов схемы остается независимой переменной, которая определяется теперь алгебраической суммой значения фиксированного потенциала и напряжения конденсатора 3.

Принцип работы резонансного коммутатора не изменяется, если в соответствии с четвертым объектом настоящего изобретения дроссель 4 резонансного контура выводится из цепи последовательного соединения первого ключа 1 и второго ключа 2 и при помощи дополнительного силового вывода 7 включается последовательно в цепь диода D, а вывод конденсатора 3 резонансного контура, ранее подключенный к отрицательному силовому выводу, образует дополнительный силовой вывод 8 и подключается к любому из фиксированных потенциалов схемы (Фиг.9).

Принцип работы резонансного коммутатора не меняется при применении различных типов ключей: биполярных и полевых транзисторов, тиристоров, биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) и ДР.

Представленный резонансный коммутатор может быть применен в любом другом импульсном преобразователе путем замены управляемого силового ключа преобразователя на заявляемый резонансный коммутатор с подключением положительного и отрицательного силовых выводов резонансного коммутатора к тем узлам преобразователя, куда ранее подключались соответствующий положительный и отрицательный выводы управляемого силового ключа. При этом с помощью дополнительного силового вывода 7 дроссель резонансного контура может быть включен последовательно с противофазным ключевым элементом преобразователя, а с помощью дополнительного силового вывода 8 вывод конденсатора резонансного контура, ранее подключенный к отрицательному силовому выводу, может быть подключен к любому фиксированному потенциалу схемы преобразователя.

Рассмотрим пример конкретного исполнения устройства по настоящему изобретению.

Предложенное устройство было исполнено для преобразователя постоянного напряжения (Фиг.4), процессы коммутации в котором рассчитаны с помощью программы схемотехнического моделирования PSpice.

Выходное напряжение на конденсаторе Сф фильтра: UВЫХ=300 В.

Среднее значение непрерывного тока нагрузки через дроссель Lф фильтра: J=100 A.

Ключи 1 и 2 - транзисторы PT-IGBT, класс напряжения 600 B, средний ток коллектора 100 A, напряжение насыщения 1,6 B, выходная емкость 0,3 нФ.

Диод D импульсного типа, класс напряжения 600 B, средний ток 100 A, напряжение в открытом состоянии 1,2 B, время обратного восстановления 40 нс.

Дроссель 4 - индуктивность 1,0 мкГн.

Конденсатор 3 - емкость 0,1 мкФ, напряжение 1000 B.

На Фиг.10 представлены осциллограммы полного цикла коммутаций в резонансном коммутаторе в соответствии с настоящим изобретением.

Масштаб по вертикали:

Канал 1: ток первого ключа 1; 125 А/дел.

Канал 2: напряжение на первом ключе 1 и конденсаторе 3; 625 В/дел.

Канал 3: ток второго ключа 2 и дросселя 4; 125 A/дел.

Канал 4: напряжение на втором ключе 2; 625 B/дел.

Масштаб по горизонтали:

Время - 1 мкс/дел.

Первый (основной) ключ 1 переключается при нулевом напряжении, а второй (вспомогательный) ключ 2 - при нулевом токе.

1. Резонансный коммутатор, содержащий первый ключ с первым встречно-параллельным диодом, второй ключ, конденсатор и дроссель, вывод первого ключа, соединенный с анодом первого встречно-параллельного диода, образует отрицательный силовой вывод резонансного коммутатора, отличающийся тем, что второй ключ снабжен вторым встречно-параллельным диодом и включен последовательно с дросселем, соединенным последовательно с первым ключом, параллельно которому включен конденсатор, при этом вывод второго ключа, соединенный с анодом второго встречно-параллельного диода, образует положительный силовой вывод резонансного коммутатора.

2. Резонансный коммутатор, содержащий первый ключ с первым встречно-параллельным диодом, второй ключ, конденсатор и дроссель, вывод первого ключа, соединенный с анодом первого встречно-параллельного диода, образует отрицательный силовой вывод резонансного коммутатора, отличающийся тем, что второй ключ снабжен вторым встречно-параллельным диодом и включен последовательно с первым ключом, параллельно которому включен конденсатор, один вывод дросселя соединен с анодом второго встречно-параллельного диода и образует положительный силовой вывод резонансного коммутатора, а второй вывод дросселя образует дополнительный силовой вывод резонансного коммутатора.

3. Резонансный коммутатор, содержащий первый ключ с первым встречно-параллельным диодом, второй ключ, конденсатор и дроссель, вывод первого ключа, соединенный с анодом первого встречно-параллельного диода, образует отрицательный силовой вывод резонансного коммутатора, отличающийся тем, что второй ключ снабжен вторым встречно-параллельным диодом и включен последовательно с дросселем, другой вывод которого соединен с катодом первого встречно-параллельного диода и выводом конденсатора, другой вывод конденсатора образует дополнительный силовой вывод резонансного коммутатора.

4. Резонансный коммутатор, содержащий первый ключ с первым встречно-параллельным диодом, второй ключ, конденсатор и дроссель, вывод первого ключа, соединенный с анодом первого встречно-параллельного диода, образует отрицательный силовой вывод резонансного коммутатора, отличающийся тем, что второй ключ снабжен вторым встречно-параллельным диодом и включен последовательно с первым ключом, один вывод дросселя соединен с анодом второго встречно-параллельного диода и образует положительный силовой вывод резонансного коммутатора, второй вывод дросселя образует первый дополнительный силовой вывод резонансного коммутатора, катод первого встречно-параллельного диода соединен с выводом конденсатора, другой вывод которого образует второй дополнительный силовой вывод резонансного коммутатора.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к силовой электронике, в частности к преобразователям с пониженными динамическими потерями в силовых полупроводниковых ключах, и может быть использовано в схемах импульсных регуляторов, инверторов и активных выпрямителей.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления тиристорными преобразователями постоянного и переменного тока. .

Изобретение относится к преобразовательной технике и предназначено для работы в составе трехфазного автономного инвертора напряжения (АИН). .

Изобретение относится к преобразовательной технике и предназначено для работы в составе трехфазного автономного инвертора напряжения, регулируемого по цепи питания и предназначенного для питания и частотного пуска мощных (более 10 кВт) асинхронных двигателей, а также для питания мощных синхронных двигателей и активно-индуктивной нагрузки с переменной частотой и напряжением.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано, в частности в преобразователях постоянного напряжения в переменное, в преобразователях частоты.

Изобретение относится к электротехнике , а именно к устройствам управления вентильными преобразователями . .

Изобретение относится к силовой электронике, в частности к преобразователям с пониженными динамическими потерями в силовых полупроводниковых ключах, и может быть использовано в схемах регуляторов постоянного напряжения

Изобретение относится к силовой электронике, в частности к преобразователям с пониженными динамическими потерями в силовых полупроводниковых ключах, и может быть использовано в автономных инверторах тока и активных выпрямителях тока. Технический результат заключается в возможности проведения мягкой коммутации в цепях переменного тока преобразователей тока в случае, если напряжение в силовых выводах модуля меняет свою полярность. Силовой модуль содержит два последовательно соединенных двунаправленных по току ключевых узла с прямой блокирующей способностью по напряжению (первый ключевой узел 1 и второй ключевой узел 2), и последовательно соединенные дроссель (3) и первый и второй конденсаторы (4, 5), ключевые узлы (1, 2) силового модуля выполнены с обратной блокирующей способностью по напряжению. 3 з.п. ф-лы, 12 ил.
Наверх